BR112017010154B1 - Reforço fibroso seco semelhante a uma fita, reforço multiaxial, pano, método para obter um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, e, aparelho para formar reforço fibroso seco semelhante a uma fita - Google Patents

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Abstract

reforço fibroso seco semelhante a uma fita, reforço multiaxial, pano, método para obter um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, e, aparelho para formar reforço fibroso seco semelhante a uma fita. trata-se de um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, a ‘’fita de reforço ud espaçada’’, que fornece canais ou trajetos de fluxo criados por inclusão de uma camada de feixes de fibra separados mantidos por pelo menos uma camada adesiva. aqui, o umedecimento mais rápido de fibras com matriz é obtido, pelo qual os materiais compósitos melhorados podem ser economicamente produzidos. um método e um aparelho para produzir as fitas ud espaçadas também são revelados.

Description

CAMPO DA TÉCNICA DA INVENÇÃO
[0001] A presente invenção refere-se a um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, como um reforço para material compósito. A mesma também se refere a um método e um aparelho para produzir tal reforço fibroso seco semelhante a uma fita.
ANTECEDENTES
[0002] Os reforços fibrosos, também conhecidos como reforços de fibra ou pré-formas de fibra, são usados para formar materiais compósitos, como plástico reforçado por fibra (FRP), no qual o reforço fibroso é incorporado em uma matriz termofixa ou termoplástica, como epóxi, éster vinílico ou poliéster, PEEK e PP. Tais materiais compósitos são úteis e comumente usados em muitas aplicações diferentes, como aqueles de equipamentos aeroespaciais, aeronáuticos, automotivos, marítimos, de indústrias de construção, coletes à prova de balas e equipamentos de esportes.
[0003] Um tipo de reforços é conhecido como reforços multiaxiais, ou panos não crimpados (NCF), feitos de múltiplas pilhas/dobras de fibras paralelas, em que cada uma reside em uma orientação ou eixo geométrico diferente umas em relação às outras - por isso, o termo "multiaxial". Essas camadas são tipicamente estabilizadas por ligação de costura (usualmente com uma linha de poliéster) para formar um pano.
[0004] Em NCFs, e também em muitos outros tipos de reforços, é um problema, algumas vezes, obter camadas de certas orientações, como na direção de zero grau ou paralela à direção axial do pano ou da direção de obtenção durante a produção, visto que é difícil manter a integridade de tal camada durante a produção.
[0005] Adicionalmente, um problema geral em reforços desse tipo é que a estabilização completa ou as fibras densamente empacotadas no reforço impedem o fluxo de matriz, causando uma impregnação inadequada de fibras, fazendo, assim, com que a formação do material compósito seja difícil ou até mesmo impossível. Alternativamente, no caso de as dobras orientadas de modo multiaxial de fibras não serem estabilizadas, então o reforço se torna difícil de manusear, o que também faz com que a formação dos compósitos seja difícil.
[0006] O documento n° U.S. 6 539 983 pelo mesmo requerente revela um pano tecido, por exemplo, usável como um reforço, e que compreende urdiduras e tramas semelhantes a uma fita. Em algumas modalidades, as fitas são dotadas de uma textura, por exemplo, são perfuradas ou gofradas. Em outros exemplos, as fitas são dotadas de uma ou diversas camadas de fibras.
[0007] O documento n° EP 1 838 909 também pelo mesmo requerente revela um reforço tecido, produzido por uso de urdiduras e tramas semelhantes a uma fita parcialmente estabilizadas. Esse reforço é altamente usável, por exemplo, fornece drapeabilidade excelente. Adicionalmente, o documento n° EP 2 152 454 revela um reforço que tem duas peles de fibras unidirecionais, interconectadas por meio de uma intercamada adesiva. Entretanto, em muitos tipos de reforços, como nos NCFs discutidos acima, a impregnação, etc., ainda pode ser problemática devido a, por exemplo, dificuldades de permeabilidade.
[0008] Há, portanto, uma necessidade de um reforço seco fibroso semelhante a uma fita melhorado que aborde os problemas discutidos acima e possibilite a impregnação melhorada com resinas e/ou mais orientações em estruturas multiaxiais. SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0009] É, portanto, um objetivo da presente invenção fornecer um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, assim como um método e um aparelho para sua produção, o que alivia pelo menos alguns, e preferencialmente todos, os problemas discutidos acima.
[0010] Esse objetivo é alcançado por meio de um reforço, um método e um aparelho, conforme definido nas reivindicações anexas.
[0011] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, como um reforço para material compósito, que compreende pelo menos uma camada de fibra/filamento que tem uma pluralidade de fibras/filamentos dispostos em uma pluralidade de feixes substancialmente unidirecionais dispostos uns ao lado dos outros, em que cada feixe compreende uma pluralidade de fibras ou filamentos substancialmente unidirecionais, e pelo menos uma camada adesiva porosa fixada aos feixes da pelo menos uma camada de fibra/filamento por conexão de superfície, em que os feixes da pelo menos uma camada de fibra/filamento são separados uns dos outros por canais de separação.
[0012] No contexto da presente invenção, um reforço semelhante a uma fita fibroso se refere a uma disposição de fibras/filamentos em que a direção de orientação de fibras/filamentos é a sua direção de comprimento, a maior direção lateral do grupo de fibras/filamentos é sua direção de largura, e a menor direção lateral do grupo de fibras/filamentos é sua direção de espessura; em que a razão entre espessura e largura é menor que 1 e a dimensão de comprimento também é substancialmente maior que a largura e a espessura. Adicionalmente, o reforço fibroso seco se refere à dita fita que é feita, por exemplo, com uso de fibras padrão conforme obtido a partir de carretéis/carretes comercialmente disponíveis, em que tais fibras têm dimensionamento e outros agentes de tratamento de superfície aplicados nas mesmas.
[0013] Adicionalmente, no contexto da presente aplicação, "feixes" se referem a um agrupamento de fibras/filamentos, e são tipicamente feixes comuns, mas também incluem feixes espalhados, feixes planos e fitas de feixes espalhados. Todos esses serão chamados, a seguir, de feixes.
[0014] Desse modo, os canais de separação são formados entre cada par de feixes adjacentes. Os feixes são preferencialmente dispostos em uma disposição relativamente reta, percorrendo em paralelo entre si na direção de comprimento do reforço semelhante a uma fita e, consequentemente, os canais de separação também estão preferencialmente dispostos em paralelo entre si, e percorrem na direção longitudinal do reforço semelhante a uma fita. Desse modo, o reforço novo pode ser chamado de reforço espaçado, ou uma fita/reforço UD (UniDirecional) espaçada.
[0015] A camada adesiva porosa fornece e mantém a disposição paralela e a integridade do reforço semelhante a uma fita UD espaçado e garante que os feixes e os canais de separação sejam mantidos no local. Os canais de separação têm preferencialmente uma largura relativamente uniforme sobre o comprimento inteiro. Entretanto, algumas variações na largura de separação são aceitáveis na maioria das aplicações, e até mesmo o fechamento total ocasional do canal de separação pode ser aceitável para certas aplicações.
[0016] Foi constatado pelos presentes inventores que, dispondo-se os feixes, separados por canais de separação, um reforço muito versátil é obtido. A camada adesiva porosa fornece um reforço flexível e drapeável, o qual ainda é estável e mantém seu formato e propriedades tanto durante a fabricação quanto o manuseio e uso subsequentes. Adicionalmente, a camada adesiva porosa e os canais de separação fornecem juntos os trajetos de fluxo muito eficazes para a matriz ou resina infiltrar e se espalhar dentro do reforço, e em estruturas formadas por tais reforços. Os mesmos também possibilitam a remoção fácil e rápida de ar preso. Isso, por sua vez, acelera e melhora o umedecimento de fibras pela matriz e, como consequência, o desempenho mecânico e a qualidade do material compósito formado. A infiltração da resina também se torna muito controlável pela provisão de trajetos de infiltração, particularmente pelas larguras de tais trajetos, fornecidos pelos canais de separação.
[0017] Os filamentos/fibras dos feixes que formam a pelo menos uma camada de fibra/filamento compreendem preferencialmente as fibras de carbono, vidro, cerâmica, aramida, PBO e/ou outras fibras poliméricas de desempenho alto. Os feixes podem compreender as mesmas fibras ou fibras diferentes. As mesclas de tais fibras também podem ser usadas em um feixe ou diversos feixes. Em particular, os feixes que compreendem ou consistem em fibras/filamentos de carbono são preferidos.
[0018] Os canais de separação têm preferencialmente uma largura na faixa de 0,1 a 1,0 mm, e preferencialmente na faixa de 0,2 a 0,8 mm, e com máxima preferência na faixa 0,25 a 0,75 mm, como 0,5 mm. Entretanto, não é necessário ter uma largura constante de todos os canais de separação; os mesmos podem ser de larguras diferentes uns em relação aos outros e/ou cada tal canal de separação tem largura variável. É de importância ter canais amplos o suficiente para permitir uma infiltração satisfatória e o espalhamento da resina. Ao mesmo tempo, canais muito amplos podem resultar em poços de resina formados, o que deteriora o material compósito resultante. Foi constatado que as larguras de canal que excedem 0,1 mm e, em particular, 0,2 ou 0,25, fornecem uma infiltração/espalhamento muito eficaz de matriz/resina. Ao mesmo tempo, foi constatado que o uso de uma largura de separação máxima de 1 mm, e preferencialmente um máximo de 0,8, como 0,75, é suficiente para impedir a criação de poços/bolsas de resina que causam deterioração do produto final. Desse modo, foi constatado que, usando-se larguras de separação dentro de qualquer uma dessas faixas muito específicas, uma combinação muito eficaz de infiltração e espalhamento rápidos e satisfatórios da resina e, assim, umedecimento de fibras/filamentos, pode ser obtida junto com desempenho mecânico satisfatório de materiais compósitos.
[0019] Os feixes na pelo menos uma camada de fibra/filamento têm preferencialmente uma largura na faixa de 1 a 20 mm, e preferencialmente na faixa de 2 a 15 mm, e com máxima preferência na faixa de 2 a 10 mm, como 5 mm. Entretanto, não é necessário ter uma largura constante de todos os feixes; em que os mesmos podem ser de larguras diferentes uns em relação aos outros e/ou cada feixe tem uma largura variável.
[0020] De modo similar, é preferido que os canais de separação formem uma parte do volume geral do reforço semelhante a uma fita. De modo preferencial, o volume combinado dos canais de separação em uma ou diversas camadas do reforço semelhante a uma fita cobre 1 a 20% do volume inteiro do reforço semelhante a uma fita, e cobre mais preferencialmente na faixa de 1 a 15% do volume inteiro, e cobre com máxima preferência na faixa de 1 a 10%.
[0021] O reforço semelhante a uma fita tem preferencialmente uma largura na faixa de 1 cm a 2 m, e preferencialmente na faixa de 3 cm a 1,5 m, e com máxima preferência na faixa de 10 cm a 60 cm, como 30 cm.
[0022] Cada feixe compreende preferencialmente um número de filamentos na faixa de 1.000 a 50.000, e preferencialmente na faixa de 1.000 a 25.000 e com máxima preferência na faixa de 3.000 a 24.000.
[0023] Feixes ou cordões, particularmente quando compreendem filamentos de carbono, são frequentemente chamados e classificados como, por exemplo, 3k, 6k, etc. Isso é uma indicação do número de fibras/filamentos dentro de cada feixe/cordão, em que k significa quilo (1.000), sendo que 3k é 3.000, etc. No reforço da presente invenção, cada feixe/cordão tem preferencialmente uma contagem de 1k, 2k, 3k, 6k, 12k, 15k 18k ou 24k, até mesmo contagens mais altas também podem ser usadas. De modo preferencial, a contagem de cada feixe/cordão está na faixa de 6 a 15k. De modo notável, os tipos e qualidades diferentes de fibras têm densidades e outras propriedades diferentes. Por exemplo, as fibras de carbono são usualmente agrupadas de acordo com a banda de módulo na qual suas propriedades estão. Essas bandas são comumente chamadas de: força alta (HS), módulo padrão (SM), módulo intermediário (IM), módulo alto (HM) e módulo ultra alto (UHM). O diâmetro de filamento da maioria dos tipos é de cerca de 5 a 7 μm. De modo notável, um feixe de 12k de HS tem cerca da mesma área de corte transversal como um feixe de 24k de IM, devido aos filamentos mais finos e densidade mais alta do IM.
[0024] A camada adesiva porosa, para fixação à camada de fibra/filamento, pode compreender uma rede adesiva ou véu. A rede adesiva pode ser, por exemplo, uma rede não tecida feita de polímero termoplástico ou fibras poliméricas ou componente de resina termofixa. Em outro aspecto, a camada adesiva porosa pode estar na forma de um pré-impregnado adequado, na qual as fibras/camada de filamento formadas pelos feixes separados podem ser diretamente depositadas.
[0025] A camada adesiva porosa é preferencialmente feita de um termoplástico fundido a quente, que compreende preferencialmente pelo menos um dentre poliamida, poliéster, poliolefina, polipropileno e poliuretano e/ou um componente de um material à base de epóxi e preferencialmente de tipo fibroso, ou de um tipo que lembra fibras.
[0026] Tais camadas adesivas podem ser redes/véus, feitos de material não tecido ou tecido, e são conhecidas per se e, por exemplo, estão comercialmente disponíveis a partir de companhias como Spunfab. Os exemplos de tais camadas adesivas também são conhecidos a partir de, por exemplo, o documento n° WO 03/064153, em que o dito documento é incorporado ao presente documento, em sua totalidade, a título de referência.
[0027] A camada adesiva porosa pode ser disposta em um ou ambos os lados da camada (ou camadas) de fibra/filamento. Adicionalmente, uma camada adesiva porosa pode estar disposta entre duas camadas de fibra/filamento separadas. Ainda adicionalmente, as estruturas mais complexas são viáveis, como uma estrutura de cinco camadas, que compreendem de um lado uma primeira camada adesiva externa, uma primeira camada de fibra/filamento, uma segunda camada adesiva intermediária, uma segunda camada de fibra/filamento e uma terceira camada adesiva externa. Muitas outras combinações também são viáveis, assim como seria notado pelo destinatário versado na técnica.
[0028] O propósito da camada adesiva porosa é manter os feixes na camada de fibra/filamento em uma configuração de formação de canal separada, e tornar o reforço estável o suficiente para ser facilmente manuseado. A camada adesiva é porosa para permitir a infiltração por uma resina de matriz, e também é preferencialmente flexível o suficiente para fornecer a drapeabilidade do reforço. A camada adesiva também pode ser usada para unir uma camada de reforço à outra camada (ou camadas) de tipos iguais ou diferentes. Isso torna possível, por exemplo, o uso de reforços do tipo discutido acima em vez de pré-impregnados para assumir formatos e estruturas adequados.
[0029] Também é possível fornecer o reforço UD espaçado na forma de pré-impregnados, isto é, na forma de um reforço pré-impregnado. Em tal modalidade, os ditos reforços podem ser preparados impregnando-se os mesmos com um componente da resina que é adaptada para ser ativada, completando a reação durante a cura.
[0030] A camada adesiva porosa adere à camada de fibra/filamento dos feixes separados, por meio de adesão à superfície. Entretanto, não é necessário para a camada adesiva aderir diretamente a cada filamento/fibra dos feixes na camada (ou camadas) de filamento. Em vez disso, os filamentos nos feixes podem estar dispostos para manter uma certa estabilidade por outro meio, conforme é conhecido em si pela técnica, como por dimensionamento adequado, conexões ou entrelaçamentos entre filamentos, forças de atrito entre filamentos, etc.
[0031] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é fornecido um reforço multiaxial que compreende uma pluralidade de camadas de reforço fibrosas substancialmente unidirecionais dispostas em uma construção ensanduichada, sendo que a direção de fibra de pelo menos algumas das camadas de reforço se estende em direções diferentes, em que pelo menos uma das camadas de reforço é um reforço fibroso seco semelhante a uma fita UD espaçado, conforme discutido no supracitado em relação ao primeiro aspecto da invenção.
[0032] Por meio desse aspecto, as mesmas ou vantagens similares e recursos e modalidades preferidos, conforme discutido acima, em relação ao primeiro aspecto, são usáveis e obteníveis.
[0033] Os reforços multiaxiais, também conhecidos como panos não crimpados (NCF), são panos feitos de múltiplas dobras de fibras paralelas, em que cada reside em uma orientação ou eixo geométrico diferente. Essas camadas são preferencialmente ligadas por costura, por exemplo, com uma linha de poliéster, para formar um pano. Tais reforços multiaxiais mencionados antes são adequados para uso em estruturas compósitas e permitem, de modo eficaz, que o fabricante de compósito processe múltiplas camadas de fibras unidirecionais em um pano único. O reforço multiaxial pode, por exemplo, compreender de 2 a 20 camadas, e preferencialmente 2 a 10 camadas, e com máxima preferência 2 a 5 camadas dependendo das demandas de aplicação.
[0034] As propriedades de infiltração satisfatória do reforço UD espaçado discutido acima torna o mesmo altamente adequado para uso com NCF/reforços multiaxiais convencionais, visto que irá aprimorar as propriedades de infiltração gerais do reforço multiaxial/NCF.
[0035] O reforço UD espaçado, conforme discutido acima, é preferencialmente usado para formar uma ou diversas camadas do reforço multiaxial/NCF alinhando-se com a direção de produção do pano, isto é, a direção de zero graus. A estabilidade e a integridade do reforço UD espaçado discutido acima torna possível para sua incorporação como uma ou diversas das camadas no reforço multiaxial em uma maneira custo benefício e relativamente simples. Adicionalmente, tal reforço UD espaçado estável pode ser colocado de modo preciso e rápido em orientações e comprimentos diferentes para produzir partes específicas com uso de máquinas de depósito disponíveis. Pode ser notado que larguras diferentes de reforço UD espaçado também podem ser depositadas em qualquer ordem e orientação desejados para criar o formato e as dimensões da parte compósita final exigida para obter seu melhor desempenho mecânico.
[0036] Em uma alternativa, o reforço UD espaçado da presente invenção pode ser combinado com outros reforços convencionais e preferencialmente multiaxiais/de NCF ou tecidos costurados. Por exemplo, o reforço UD espaçado pode estar disposto em um ou ambos os lados de tal reforço multiaxial/NCF ou pano tecido convencional, ou ser ensanduichado entre dois ou mais tais reforços multiaxiais/NCFs convencionais ou panos tecidos.
[0037] Em outra alternativa, o reforço novo, o reforço UD espaçado, pode ser usado como uma dentre as camadas em uma orientação desejada em uma estrutura de reforço multiaxial/NCF. Ainda em outra alternativa, o reforço novo, o reforço UD espaçado, pode ser usado na formação de um reforço multiaxial/NCF sem costurar as dobras de camadas de fibra/filamento, visto que a integridade de tal reforço multiaxial/NCF novo é derivada da ligação por calor, pela qual as torções em feixes que surgem a partir da costura são eliminadas.
[0038] O reforço UD espaçado também pode ser usado por si só como um embrulho e/ou para formar trançados sobre núcleos/mandris. O mesmo também pode ser usado como fitas para formar urdiduras e/ou tramas em panos de reforço tecidos ou outros tipos de reforços entrelaçados. Por exemplo, tais fitas podem ser usadas em panos do tipo revelado no documento n° EP 1 838 909 e documento n° WO 12/098209 pelo mesmo requerente, em que os ditos documentos são incorporados ao presente documento, em sua totalidade, a título de referência. Esses panos também podem ser empilhados ou dobrados em ordem desejada e combinados com reforço UD espaçado para obter uma estrutura de reforço nova.
[0039] Durante o uso do reforço UD espaçado, as fitas dispostas em duas ou mais direções, os trajetos de fluxo para infiltração de matriz também são diretamente formados em tais direções correspondentes, que possibilitam uma infiltração e uma impregnação muito eficaz de fibras.
[0040] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é fornecido um pano que compreende dois conjuntos de reforços semelhantes a uma fita dispostos em uma configuração entrelaçada ou interconectada, em que pelo menos alguns dos reforços semelhantes a uma fita são reforços fibrosos secos semelhantes a uma fita do tipo discutido acima, isto é, reforço UD espaçado.
[0041] Por meio desse aspecto, as mesmas ou vantagens similares e recursos e modalidades preferidos, conforme discutido acima, em relação aos aspectos discutidos acima, são usáveis e obteníveis. Pode ser notado que uso de reforço UD espaçado possibilita a ligação mediante aquecimento e pressionamento com outras camadas de UD reforços espaçados ou panos ou NCFs etc. descritos acima. Como resultado, o deslocamento relativo de tais camadas de material diferentes é significativamente restrito durante o processo de impregnação/infusão, o que leva à qualidade melhorada de partes compósitas além de reduzir as rejeições.
[0042] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é fornecido um método para obter um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, como um reforço para material compósito, que compreende:
[0043] dispor feixes em orientação substancialmente unidirecional uns ao lado dos outros para formar pelo menos uma camada de fibra/filamento, em que cada feixe compreende uma pluralidade de fibras/filamentos substancialmente unidirecionais, em que os feixes da pelo menos uma camada de fibra/filamento são separados uns dos outros por distâncias de separação;
[0044] fornecer uma camada adesiva porosa em pelo menos um lado da dita camada de fibra/filamento; e
[0045] fixar a camada adesiva porosa à camada de fibra/filamento por conexão de superfície/adesão, por exemplo, por aquecimento e/ou pressionamento com uso de agente de ligação adequado.
[0046] Por meio desse aspecto, as mesmas ou vantagens similares e recursos e modalidades preferidos, conforme discutido acima, em relação aos aspectos discutidos acima de fitas UD espaçadas, são usáveis e obteníveis.
[0047] Ainda de acordo com outro aspecto da presente invenção, é fornecido um aparelho para formar um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, como um reforço para material compósito, que compreende:
[0048] um dispositivo de separação para dispor as fibras/filamentos em orientação substancialmente unidirecional uns ao lado dos outros para formar uma camada de fibra/filamento que compreende uma pluralidade de feixes, em que cada feixe compreende uma pluralidade de filamentos substancialmente unidirecionais, em que os feixes da pelo menos uma camada de fibra/filamento são, cada um, separados uns dos outros pela distância de separação;
[0049] um dispositivo de fixação ou alimentação para suprir e depositar uma camada adesiva porosa em pelo menos um lado da dita camada de feixes; e
[0050] um aquecedor ou aplicador de agente de ligação, preferencialmente em combinação com uma disposição de pressionamento, para fixação da camada adesiva porosa à camada de fibra/filamento por conexão de superfície por aquecimento ou ligação química.
[0051] Por meio desse aspecto, as mesmas ou vantagens similares e recursos e modalidades preferidos, conforme discutido acima, em relação aos aspectos discutidos acima, são usáveis e obteníveis.
[0052] O dispositivo de separação também é preferencialmente operável para espalhar e alargar feixes incidentes, fornecido a partir de um suprimento de feixe, e dispor seus filamentos em orientação substancialmente unidirecional e dispor os feixes uns ao lado dos outros na configuração espaçada discutida acima.
[0053] O dispositivo de separação também pode compreender uma pluralidade de pinos, como dedos ou lâminas ou discos sólidos/anulares ou folhas/placas, preferencialmente em uma disposição linear e que se projeta a partir de uma superfície, entre a qual os feixes podem passar/percorrer, para formar as distâncias de separação entre os feixes. Esses pinos/lâminas/discos etc. separam os feixes em um modo semelhante a um pente. O diâmetro dos pinos ou a espessura das lâminas/discos é adequadamente pré-selecionado. O dispositivo de separação é preferencialmente disposto antes do aquecedor ou aplicador de agente de ligação, de modo a possibilitar que os feixes separados sejam mantidos na configuração desejada quando a camada adesiva porosa for aplicada sobre a camada de fibra/filamento de feixes para estabilização por aplicação de calor ou agente de ligação.
[0054] Adicionalmente, outros meios podem ser usados para manter os feixes em percurso em configuração separada para possibilitar a aplicação da camada adesiva. Por exemplo, o uso de rolamento (ou rolamentos) ou tambor (ou tambores) coberto com um material de atrito, por exemplo, silicone, para manter os feixes em percurso separados. Também é possível manter os feixes em percurso separados uns dos outros dispondo-se sua preensão, por exemplo, entre duas correias, que têm preferencialmente superfícies de atrito, por exemplo, como aquela de silicone. Como preensão ou disposições de tambor/rolamento também podem ser usadas em combinação com a aplicação de aquecimento ou agente de ligação.
[0055] O aquecedor pode fornecer calor em maneiras diferentes, como por condução, convecção e radiação (por exemplo, por emissão de radiação infravermelha, radiação de frequência alta, ou radiação ultrassônica, ou que passa corrente elétrica através das fibras) para os feixes. Além do aquecimento, a pressão também pode ser aplicada durante essa etapa para aderir à camada adesiva porosa à superfície voltada da camada de feixes.
[0056] O aplicador de agente de ligação pode suprir e aplicar a formulação química adequada diretamente (por exemplo, ação de lambida de um rolamento) ou indiretamente (por exemplo, aspersão) aos feixes em percurso. Novamente, a pressão também pode ser aplicada durante essa etapa.
[0057] Durante a adesão, a camada adesiva porosa se alisa/funde no feixe aquecido até um certo ponto, formando, assim, uma superfície adesiva ligada aos feixes na camada de filamento. Entretanto, o aquecimento é preferencialmente controlado para evitar a penetração muito profunda do material fundido nos feixes, mantendo, assim, os canais de separação abertos e evitando o colapso da camada adesiva. De modo similar, a camada adesiva porosa é diretamente formada sobre a superfície voltada da camada de fibra/filamento de feixes que percorrem pelo aplicador de agente de ligação. Novamente, a aplicação de agente de ligação é preferencialmente controlada para evitar o enchimento nos vãos entre os feixes com o agente de ligação, mantendo, assim, os canais de separação abertos.
[0058] Esses e outros recursos e vantagens da presente invenção serão clarificados adicionalmente, a seguir, com referência às modalidades descritas mais adiante no presente documento.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0059] Com propósitos de exemplificação, a invenção será descrita em detalhes maiores a seguir com referência às modalidades da mesma ilustradas nos desenhos anexos, em que:
[0060] A Figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática de um reforço semelhante a uma fita UD espaçado, em conformidade com uma modalidade da presente invenção;
[0061] A Figura 2 é uma vista em corte transversal do reforço semelhante a uma fita UD espaçado da Figura 1;
[0062] A Figura 3 é uma vista superior de uma camada adesiva porosa, em conformidade com uma modalidade da presente invenção;
[0063] A Figura 4 é uma vista explodida esquemática de um material de NCF em conformidade com presente invenção, que ilustra várias modalidades;
[0064] A Figura 5 é uma ilustração esquemática de duas modalidades diferentes, Figura 5a e 5b, respectivamente, de um aparelho para produzir um reforço semelhante a uma fita UD espaçado, em conformidade com modalidades da presente invenção;
[0065] A Figura 6 é uma vista mais detalhada de um dispositivo para obter a separação entre os feixes; e
[0066] As Figuras 7a a 7d são vistas em corte transversal de várias modalidades de reforços UD espaçados semelhantes a uma fita em conformidade com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES PREFERENCIAIS
[0067] Na descrição detalhada a seguir, as modalidades preferidas da presente invenção serão descritas. Entretanto, deve ser entendido que os recursos das modalidades diferentes são cambiáveis entre as modalidades e podem ser combinados em maneiras diferentes, a menos que especificado de outro modo. Também pode ser notado, por questões de clareza, que as dimensões de certos componentes ilustrados nos desenhos podem diferir das dimensões correspondentes em implantações da vida real da invenção. Mesmo que, na descrição a seguir, vários detalhes específicos sejam apresentados para fornecer um entendimento mais completo da presente invenção, será evidente para uma pessoa versada na técnica que a presente invenção pode ser praticada sem esses detalhes específicos. Em outros casos, as construções ou funções bem conhecidas não são descritas em detalhes, de modo a não obscurecer a presente invenção.
[0068] Nas Figuras 1 e 2, uma fita de reforço UD espaçada, em conformidade com uma modalidade, é ilustrada. O reforço forma um reforço fibroso seco semelhante a uma fita que compreende uma pluralidade de feixes 1, em que cada um compreende uma pluralidade de filamentos unidirecionais, por exemplo, de carbono. Os feixes 1 formam uma camada de fibra/filamento 3 que tem uma pluralidade de feixes substancialmente direcionados de modo unidirecional dispostos uns ao lado dos outros e separados uns dos outros. Os feixes 1 são conectados a uma camada adesiva porosa 4 por meio de uma ligação de superfície.
[0069] Os feixes da camada de fibra/filamento 3, conectados pela camada adesiva porosa 4, são separados uns dos outros por canais de separação 2.
[0070] Os filamentos/fibras dos feixes que formam a pelo menos uma camada de fibra/filamento compreendem preferencialmente as fibras de um ou mais dentre uma seleção de carbono, vidro, cerâmica, aramida, PBO e/ou outras fibras poliméricas de desempenho alto, ou mesclas de algumas ou todas essas fibras. Em particular, as camadas de filamento que compreendem ou consistem em fibras de carbono são preferidas.
[0071] Os canais de separação 2 têm preferencialmente uma largura Ws na faixa de 0,1 a 1,0 mm, e preferencialmente na faixa de 0,2 a 0,8 mm, e com máxima preferência na faixa 0,25 a 0,75 mm, como 0,5 mm. Entretanto, não é necessário ter uma largura constante de todos os canais de separação; os mesmos podem ser de larguras diferentes uns em relação aos outros e/ou cada tal canal de separação tem largura variável. Os feixes 1 têm preferencialmente uma largura Wt na faixa de 1 a 20 mm, e preferencialmente na faixa de 2 a 15 mm, e com máxima preferência na faixa de 2 a 10 mm, como 5 mm. Entretanto, não é necessário ter uma largura constante de todos os feixes; em que os mesmos podem ser de larguras diferentes uns em relação aos outros e/ou cada feixe tem uma largura variável.
[0072] De modo similar, é preferido que os canais de separação formem uma parte do volume geral do reforço semelhante a uma fita UD espaçado. De modo preferencial, o volume combinado dos canais de separação cobre 1 a 20% do volume inteiro do reforço semelhante a uma fita, e cobre mais preferencialmente na faixa de 1 a 15% ou 2 a 15% do volume inteiro, e cobre com máxima preferência na faixa de 1 a 10%, 2 a 10% ou 3 a 10%.
[0073] O reforço UD espaçado tem preferencialmente uma largura WT na faixa de 1 cm a 2 m, e preferencialmente na faixa de 3 cm a 1,5 m, e com máxima preferência na faixa de 10 cm a 60 cm, como 30 cm.
[0074] Cada feixe compreende preferencialmente um número de filamentos na faixa de 1.000 a 50.000, e preferencialmente na faixa de 1.000 a 25.000 e com máxima preferência na faixa de 3.000 a 24.000.
[0075] A camada adesiva porosa é preferencialmente uma rede adesiva. A rede adesiva pode ser, por exemplo, uma rede não tecida feita de fibras termoplásticas ou poliméricas, ou estruturas que lembram fibra. Em outro aspecto, a camada adesiva porosa pode estar na forma de um pré-impregnado adequado, na qual as fibras/camada de filamento formadas pelos feixes separados podem ser diretamente depositadas. A camada adesiva porosa é feita preferencialmente de um material termoplástico fundido a quente e que compreende preferencialmente pelo menos um dentre poliamida, poliéster, poliolefina, polipropileno e poliuretano e/ou é uma resina à base de epóxi termofixa.
[0076] Um exemplo de uma parte de uma camada adesiva porosa não tecida 4 produzida por método de fiação contínua é ilustrado esquematicamente n Figura. 3. Alternativamente, outros tipos de camada adesiva também podem ser usados, como camadas adesivas tecidas, camadas adesivas semelhantes à rede e semelhantes.
[0077] A camada adesiva 4 pode ser disposta em um ou ambos os lados da camada (ou camadas) de fibra/filamento de feixes separados 3, ou intercaladas entre camadas de feixes.
[0078] Nas modalidades esquemáticas de alguns tipos diferentes de fitas UD espaçadas mostradas na Figura 7, o reforço de acordo com a Figura 7a compreende uma camada adesiva porosa 4 que adere a um lado de uma camada de fibra/filamento 3 de feixes separados. Na modalidade esquemática da Figura 7b, uma camada de fibra/filamento 3 de feixes separados é ensanduichada entre as camadas adesivas superior e inferior 4a e 4b. Na modalidade esquemática da Figura 7c, a camada adesiva 4 é ensanduichada entre duas camadas de fibra/filamento 3a e 3b dos feixes separados correspondentes. Vista de modo diferente, a camada adesiva 4 adere comumente às camadas superior 3a e inferior 3b dos feixes separados correspondentes. Finalmente, na modalidade da Figura 7d, uma estrutura de cinco camadas é fornecida, a qual compreende, a partir do lado de topo, uma primeira camada adesiva externa 4a, uma primeira camada de fibra/filamento 3a de feixes separados, uma segunda camada adesiva intermediária 4b, uma segunda camada de fibra/filamento 3b de feixes separados e uma terceira camada adesiva externa 4c. Muitas outras combinações também são viáveis, assim como seria notado pelo destinatário versado na técnica.
[0079] As fitas de reforço UD espaçadas podem ser usadas para formar panos tecidos ou, também, outros tipos de panos entrelaçados. As fitas de reforço UD espaçadas também podem ser usadas para produzir pré- impregnados.
[0080] De acordo com uma modalidade, o reforço UD espaçado é usado para formar um reforço multiaxial, como um pano não crimpado (NCF), que compreende uma pluralidade de camadas de reforço fibrosas substancialmente unidirecionais dispostas em uma construção ensanduichada, sendo que a direção de fibra de pelo menos algumas das camadas de reforço se estende em direções diferentes, e em que pelo menos uma das camadas de reforço é um reforço UD espaçado. As camadas são preferencialmente ligadas por costura, por exemplo, com uma linha de poliéster, para formar um pano. O reforço UD espaçado pode ser integrado no reforço ligado por costura, ou ser fornecido em uma ou diversas superfícies, ou como uma camada intermediária, em relação a tais reforços ligados por costura.
[0081] Tal modalidade é ilustrada esquematicamente na Figura 4. Nessa modalidade, uma pluralidade de camadas de reforço dispostas em orientações diferentes é fornecida. As camadas são preferencialmente dispostas simetricamente em torno do plano de centro. Nesse exemplo ilustrativo, as camadas de reforço são fornecidas em orientação de zero graus, o que significa que os filamentos da camada são orientados em linha com a direção de produção e a direção de obtenção (ilustrada pela seta) e orientações de +45 e -45 graus. Pelo menos as camadas de reforço orientadas em direção de zero graus são preferencialmente do tipo de reforço UD espaçado discutido acima.
[0082] A Figura 4 ilustra várias configurações possíveis. Em uma alternativa, as camadas de reforço orientadas em +45 e -45 graus são dispostas como NCFs convencionais a, c, e e g, com os reforços UD espaçados b, d e f orientados na direção de zero graus entre os mesmos (isto é, entre a, c, e e g). Alternativamente, a a c podem formar um primeiro NCF costurado A, e e a g podem formar um segundo NCF costurado C, com a camada intermediária B de reforço UD espaçado ensanduichada entre os mesmos (isto é, entre A e C). Ainda em outra alternativa, todas as camadas a a g podem ser dispostas em um NCF único AA.
[0083] Uma pessoa versada na técnica pode entender que muitas outras combinações são viáveis, incluindo mais ou menos camadas e, também, as camadas de reforço UD espaçadas orientadas em outras direções.
[0084] As modalidades exemplificativas para produção do reforço UD espaçado serão descritas em referência à Figura 5.
[0085] Em uma primeira modalidade, ilustrada na Figura 5a, os filamentos de um feixe são primeiramente separados, e preferencialmente espalhados, para que os feixes dispostos em orientação substancialmente unidirecional uns ao lado dos outros formem uma camada de fibra/filamento de feixes, em que cada feixe compreende uma pluralidade de filamentos substancialmente unidirecionais, em que os feixes que formam a pelo menos uma camada são separados uns dos outros por uma distância de separação. Tal fita de reforço UD espaçada pode ser produzida em um dispositivo de separação 13. O dispositivo de separação 13 separa e espalha os filamentos de feixes fornecidos por carretéis 11 de um porta-bobinas em feixes espalhados individuais e mantém os feixes espalhados individuais separados uns dos outros através do uso de uma pluralidade de pinos ou lâminas 131 que se projetam a partir de uma superfície com a qual os feixes espalhados estão em contato e ocorrem entre os feixes espalhados 1, conforme ilustrado na Figura 6, formando uma camada de fibra/filamento intermediária de feixes separados por uma distância exigida. A disposição da pluralidade de pinos/lâminas que se projetam separa os feixes em um modo semelhante a um pente.
[0086] Adicionalmente, outros meios podem ser usados para manter os feixes em percurso em configuração separada para possibilitar a aplicação da camada adesiva. Por exemplo, o uso de rolamento (ou rolamentos) ou tambor (ou tambores) coberto com um material de atrito, por exemplo, silicone, para manter os feixes em percurso separados. Também é possível manter os feixes em percurso separados uns dos outros dispondo-se sua preensão, por exemplo, entre duas correias. Como preensão ou disposições de tambor/rolamento também podem ser usadas em combinação com a aplicação de aquecimento ou agente de ligação.
[0087] Junto com o suprimento de feixes a partir dos carretéis 11, uma camada adesiva porosa 4 também é suprida a partir de um ou mais rolos 12.
[0088] A camada (ou camadas) adesiva porosa 4 e a camada (ou camadas) de fibra/filamento 3 que compreendem feixes separados são colocadas juntas, por exemplo, por meio de guias adequadas 14, por exemplo, que compreendem um par de rolamentos-guia. Um aquecedor ou um aplicador de agente de ligação 15 é fornecido e é adequadamente disposto a seguir. O aquecedor aplica calor às camadas combinadas 3 e 4 de feixes e adesivos.
[0089] O aquecedor pode fornecer calor em maneiras diferentes, como por condução, convecção e radiação (por exemplo, por emissão de radiação infravermelha, radiação de frequência alta, ou radiação ultrassônica) para os feixes. Além do aquecimento, a pressão também pode ser aplicada durante essa etapa para aderir à camada adesiva porosa à superfície voltada dos feixes.
[0090] O aplicador de agente de ligação pode suprir e aplicar a formulação química adequada diretamente (por exemplo, ação de lambida de um rolamento) ou indiretamente (por exemplo, aspersão) aos feixes em percurso. Novamente, a pressão também pode ser aplicada durante essa etapa.
[0091] O reforço UD espaçado produzido é, então, avançado de modo contínuo pelo dispositivo de avanço 16 e enrolado em uma bobina ou outra embalagem adequada pela unidade de enrolamento (não mostrada) para uso subsequente.
[0092] Na segunda modalidade do aparelho de produção, ilustrado na Figura 5b, o suprimento da rede adesiva porosa 12 foi substituído por um aplicador de agente de ligação 15b, que fornece a rede adesiva 4 diretamente sobre os feixes separados da camada de fibra/filamento 3. O aplicador de agente de ligação pode fornecer a rede adesiva porosa aspergindo-se um termoplástico fundido ou termofixo à base de epóxi sobre a camada de fibra/filamento. Além dessas mudanças, as partes restantes do aparelho da Figura 5b permanecem na mesma modalidade da Figura 5a.
[0093] A invenção foi descrita agora com referência a modalidades específicas. Entretanto, diversas variações do reforço, e do método e do aparelho para produção, são viáveis. Por exemplo, o reforço pode ter mais ou menos camadas, que têm vários tamanhos e composições, e o método e o aparelho podem aplicar calor, agente de ligação etc. em várias maneiras e sequências. Adicionalmente, a ordem das etapas de fabricação pode ser realizada de modo diferente, por exemplo, em etapas ou simultaneamente até certo ponto.
[0094] Essas e outras modificações podem ser consideradas como abrangidas pelo escopo da presente invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas. Deve ser notado que as modalidades mencionadas acima ilustram em vez de limitar a invenção e que aqueles versados na técnica poderão projetar muitas modalidades alternativas sem se afastar do espírito e escopo das reivindicações anexas. Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não devem ser interpretados como limitantes das reivindicações. A palavra "compreende" não exclui a presença de outros elementos ou etapas além daqueles listados na reivindicação. A palavra “um” ou “uma” que precede um elemento não exclui a presença de uma pluralidade de tais elementos. Adicionalmente, uma unidade única pode realizar as funções de diversos meios recitados nas reivindicações.

Claims (15)

1. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, como um reforço para material compósito, caracterizado por compreender pelo menos uma camada de fibra/filamento que tem uma pluralidade de fibras/filamentos dispostos em uma pluralidade de feixes substancialmente unidirecionais dispostos uns ao lado dos outros, em que cada feixe compreende uma pluralidade de fibras ou filamentos substancialmente unidirecionais, e pelo menos uma camada adesiva porosa fixada aos feixes de pelo menos uma camada de fibra/filamento por conexão de superfície, em que os feixes da pelo menos uma camada de fibra/filamento são separados uns dos outros por canais de separação, em que os canais de separação têm uma largura na faixa de 0,1 a 1,0 mm, e em que os canais de separação formarem uma parte do volume geral do reforço semelhante a uma fita qual o volume combinado dos canais de separação no reforço semelhante a uma fita cobre de 1 a 20% do volume total do reforço semelhante a uma fita.
2. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas fibras/filamentos da dita pelo menos uma camada de fibra/filamento compreenderem fibras/filamentos de pelo menos um dentre carbono, vidro, cerâmica, aramida, PBO e/ou outras fibras poliméricas de desempenho alto ou mesclas de algumas ou todas essas fibras.
3. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelos canais de separação terem uma largura na faixa de 0,2 a 0,8 mm, e preferencialmente na faixa de 0,25 a 0,75 mm, como 0,5 mm.
4. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelos feixes terem uma largura na faixa de 1 a 20 mm, e preferencialmente na faixa de 2 a 15 mm, e com máxima preferência na faixa de 2 a 10 mm, como 5 mm.
5. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelos canais de separação formarem uma parte do volume geral do reforço semelhante a uma fita pela qual o volume combinado dos canais de separação no reforço semelhante a uma fita cobre na faixa de 1 a 15% do volume total do reforço semelhante a uma fita, e cobre com máxima preferência na faixa de 1 a 10% do volume total do reforço semelhante a uma fita.
6. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, sendo que o reforço é caracterizado por ter uma largura na faixa de 1 cm a 2 m, e preferencialmente na faixa de 3 cm a 1,5 m, e com máxima preferência na faixa de 10 cm a 60 cm, como 30 cm.
7. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por cada feixe compreender um número de filamentos na faixa de 1.000 a 50.000, e preferencialmente na faixa de 1.000 a 25.000 e com máxima preferência na faixa de 3.000 a 24.000.
8. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela camada adesiva porosa compreender uma rede adesiva, e em que a rede adesiva é preferencialmente uma rede não tecida feita de polímero termoplástico ou um componente de resina termofixa.
9. REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela camada adesiva porosa ser feita de um termoplástico de fusão a quente e/ou um componente de um material à base de epóxi, e preferencialmente um termoplástico de fusão a quente que compreende pelo menos um dentre poliamida, poliéster, poliolefina, polipropileno e poliuretano.
10. REFORÇO MULTIAXIAL, caracterizado por compreender uma pluralidade de camadas de reforço fibrosas substancialmente unidirecionais dispostas em uma construção ensanduichada, sendo que a direção de fibra de pelo menos algumas das camadas de reforço se estende em direções diferentes, em que pelo menos uma das camadas de reforço é um reforço fibroso seco semelhante a uma fita, conforme definido em cada uma das reivindicações 1 a 9.
11. REFORÇO MULTIAXIAL, de acordo com a reivindicação 10, sendo que o reforço multiaxial é caracterizado por ser um pano não crimpado costurado.
12. PANO, caracterizado por compreender dois conjuntos de reforços semelhantes a uma fita dispostos em uma configuração entrelaçada ou interconectada, em que pelo menos alguns dos reforços semelhantes a uma fita são reforços fibrosos secos semelhantes a uma fita, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11.
13. MÉTODO PARA OBTER UM REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, como um reforço para material compósito, caracterizado por compreender: dispor feixes em orientação substancialmente unidirecional uns ao lado dos outros para formar pelo menos uma camada de fibra/filamento, em que cada feixe compreende uma pluralidade de fibras/filamentos substancialmente unidirecionais, em que os feixes da pelo menos uma camada de fibra/filamento são separados, cada um, pela distância de separação, desse modo formando canais de separação com uma largura na faixa de 0,1 a 1,0 mm, e em que os canais de separação formarem uma parte do volume geral do reforço semelhante a uma fita qual o volume combinado dos canais de separação no reforço semelhante a uma fita cobre de 1 a 20% do volume total do reforço semelhante a uma fita; fornecer uma camada adesiva porosa em pelo menos um lado da dita camada de fibra/filamento; e fixar a camada adesiva porosa à camada de fibra/filamento por conexão de superfície, por exemplo, por aquecimento, pelo uso de um agente de ligação adequado e/ou pressionamento.
14. APARELHO PARA FORMAR REFORÇO FIBROSO SECO SEMELHANTE A UMA FITA, como um reforço para material compósito, caracterizado por compreender: um dispositivo de separação para dispor fibras/filamentos em feixes substancialmente unidirecionais uns ao lado dos outros para formar uma camada de fibra/filamento, em que cada feixe compreende uma pluralidade de filamentos substancialmente unidirecionais, em que os feixes da pelo menos uma camada de filamento são, cada um, separados pela distância de separação, desse modo formando canais de separação com uma largura na faixa de 0,1 a 1,0 mm, e em que os canais de separação formarem uma parte do volume geral do reforço semelhante a uma fita qual o volume combinado dos canais de separação no reforço semelhante a uma fita cobre de 1 a 20% do volume total do reforço semelhante a uma fita; um dispositivo de fixação ou alimentação para depositar uma camada adesiva porosa em pelo menos um lado da dita camada de fibra/filamento; e um aquecedor ou aplicador de agente de ligação para fixar a camada adesiva porosa à camada de fibra/filamento por conexão de superfície por aquecimento ou ligação química, preferencialmente em combinação com um dispositivo de pressionamento.
15. APARELHO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo dispositivo de separação compreender uma pluralidade de pinos ou lâminas que se projetam entre os feixes para formar as distâncias de separação.
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