BR112019026445A2 - método para produzir uma peça feita de material compósito e tal peça de copósito assim obtida - Google Patents

método para produzir uma peça feita de material compósito e tal peça de copósito assim obtida Download PDF

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Abstract

Trata-se de um processo para produzir uma peça de material compósito que consiste em adicionar uma matriz termoplástica ou termoendurecível (M) a uma pré-forma (10) que consiste em uma treliça de fibras de reforço (F) produzida pelo enrolamento de filamentos ao redor dos pinos ou semelhantes de uma armação. Consiste em enrolar ainda mais as fibras (F) sobre um ou mais rolos (4) dentro da matriz (M), em que os eixos dos ditos pinos ou semelhantes e os dos ditos um ou mais rolos (4) têm orientações diferentes, de modo a dar à referida treliça (10) uma forma tridimensional.

Description

U7 “MÉTODO PARA PRODUZIR UMA PEÇA FEITA DE MATERIAL COMPÓSITO E TAL PEÇA DE COPÓSITO ASSIM OBTIDA”
[0001] A presente invenção refere-se ao campo de peças feitas de material compósito que compreendem uma matriz termoplástica reforçada com fibra ou termoendurecível, como acessórios, de forma não restritiva.
[0002] Deve-se notar que o termo fibra refere-se a todas as formas em que as fibras de reforço podem estar presentes e, a saber, mas de forma não restritiva, fios, fitas ou cordões de fibras de reforço.
[0003] Tais peças feitas de material compósito, como as descritas nos documentos DE 29 45 469, FR 3032144, DE 102010025940 e WO 2015/066407, por exemplo, têm uma estrutura de malha obtida enrolando- se fibras impregnadas de resina em uma armação da qual se projetam pinos, de forma a permitir o transporte e estiramento das fibras entre os ditos pinos a fim de direcioná-los de preferência de acordo com as direções da tensão.
[0004] Devido ao arranjo dos eixos, as fibras se estendem em planos substancialmente paralelos ou perfeitamente paralelos, como no documento WO 2015/066407, o que resulta na estrutura de malha assim obtida não ser capaz de reagir de maneira ideal às tensões exercidas em direções diferentes daquelas paralelas a esses planos.
[0005] Sabe-se que as fibras de reforço provaram sua eficácia na possibilidade de produzir estruturas mecânicas resistentes e leves. Essa eficiência se deve ao fato de as barras que formam a malha serem submetidas a tensões de tração ou compressão, que são particularmente adequadas para exibir tensões uniformes nas seções retas das barras.
[0006] É bem sabido que, nos materiais compósitos, a resistência à compressão das fibras é mais moderada que a resistência à tração das mesmas, em particular devido ao problema de flambagem das fibras sob compressão, flambagem global ou local das fibras.
[0007] Isso é mais óbvio ao cruzar as fibras no nível dos nós intermediários, em que o estresse compressivo causa inevitavelmente o afrouxamento das junções das fibras.
[0008] No documento FR 3032144, as fibras são dispostas como uma malha em uma primeira pré-forma, a qual é compactada para formar uma segunda pré-forma capaz de ser moldada. A fase de compactação induz a não linearidade das barras que formam a malha. Além disso, o esmagamento dessas barras em suas extremidades cria formas complexas capazes de induzir tensões parasitárias nas barras.
[0009] Além disso, durante a fase de esmagamento, as fibras estão superesticadas, o que leva a estresses internos significativos na peça final, ou subesticadas, o que gera franzimento.
[00010] Para poder tensionar fibras finas na compressão, as três condições a seguir devem ser cumpridas: as fibras devem ser perfeitamente retilíneas, devem estar travadas em sua deformação ou deslocamento transversalmente à direção principal e a introdução da ação mecânica nas fibras deve ocorrer sem introduzir estresse parasitário.
[00011] No caso de uma estrutura de malha formada por um entrelaçamento de fibras, a tração é bem absorvida pela rede de fibras, pois esse estresse consolida o nó formado pelo cruzamento de fibras.
[00012] Por outro lado, a compressão das fibras tende a afrouxar o nó. A forma curva da fibra devido ao seu cruzamento promove a flexão local da fibra colocada sob compressão e, portanto, a flambagem global da fibra.
[00013] O objetivo da presente invenção é lidar com as várias desvantagens mencionadas, fornecendo um método para produzir uma peça feita de material compósito e, mais particularmente, para produzir a estrutura de malha de uma peça feita de material compósito, cumprindo as três condições definidas acima, bem como a peça assim obtida, para que esta tenha uma resistência mecânica à compressão.
[00014] O método para produzir uma peça feita de material compósito de acordo com a invenção consiste em adicionar uma matriz termoplástica ou termoendurecível em torno de uma pré-forma composta por uma malha de fibra de reforço feita por um filamento que se enrola em torno das esporas ou semelhantes de uma armação, e é caracterizado por consistir, além disso, em enrolar as fibras em um ou vários rolos dentro da matriz, em que os eixos das ditas esporas ou semelhantes e os dos ditos um ou vários rolos com orientações diferentes, de modo a fornecer à dita malha de fibra uma forma tridimensional.
[00015] De acordo com uma característica adicional do método de acordo com a invenção, são feitos enrolamentos entre pares de rolos internos para formar barras que formam a estrutura da malha.
[00016] De acordo com outra característica adicional do método de acordo com a invenção, os enrolamentos entre dois rolos de um par de rolos são feitos passando-se de um lado ou de outro de um e/ou outro rolo, de modo a criar, dentro da barra que conecta os ditos dois rolos, pelo menos um cruzamento de fibras.
[00017] De acordo com outra característica adicional do método de acordo com a invenção, antes de iniciar o enrolamento da fibra em um rolo para outro rolo para criar uma barra, um ou vários enrolamentos completos são feitos ao redor do rolo.
[00018] De acordo com outra característica adicional do método de acordo com a invenção, um ou vários enrolamentos completos de consolidação são feitos ao redor do rolo entre as fibras que formam as barras, durante e/ou após a execução dos enrolamentos para a criação das ditas barras.
[00019] De acordo com outra característica adicional do método de acordo com a invenção, a adição de uma matriz termoplástica ou termoendurecível ao redor da pré-forma é realizada por imersão, pulverização ou sobremoldagem.
[00020] Vantajosamente, os rolos podem ainda constituir formas de interface da peça final.
[00021] O rolo (ou rolos) interno permite a criação de nós intermediários, permitindo uma mudança na direção de um plano para outro não paralelo e, assim, criar formas tridimensionais globais complexas.
[00022] O processo de enrolamento pode ser criteriosamente robotizado, permitindo a realização da deposição de fibras, mantendo uma tensão, o que garante a retidão dessas fibras.
[00023] Esse enrolamento local pode ser separado em uma fase de criação preliminar da forma do nó, através de um enrolamento inicial ao redor do rolo, para fornecer resistência e rigidez mínima ao nó, depois, enrolamentos para criar as barras consolidadas através de enrolamentos de consolidação realizados durante ou após os enrolamentos para criar as barras.
[00024] No caso de uso de resina termoplástica para impregnar fibras, o enrolamento é realizado aquecendo-se a fibra e depois resfriando-se toda a pré-forma, a fim de se fornecer uma coesão global.
[00025] No caso de uso de resina termoendurecível para impregnar fibras, o enrolamento é realizado aquecendo-se suficientemente a fibra e depois resfriando-se toda a pré-forma, a fim de se fornecer uma coesão global, se necessário, com uma transição a uma temperatura de reticulação.
[00026] A pré-forma assim formada é então envolvida por uma matriz, preferencialmente, mas não exclusivamente, feita do mesmo material usado para impregnar as fibras, seja por imersão em um banho de material que constitui a matriz, na temperatura recomendada para ter fluidez suficiente para cobrir a malha de fibra, ou por pulverização ou moldagem em um molde, em que o volume de enchimento da peça é injetado, além da malha previamente disposta no molde.
[00027] Além do método de acordo com a invenção, que permite obter uma grande retidão de fibras, permite, como resultado, usar menos fibras de reforço.
[00028] Além disso, permite a produção de peças mais leves e, assim, mais baratas.
[00029] As vantagens e características do método de acordo com a invenção, e das partes que ele permite implementar, aparecerão mais claramente a partir da descrição a seguir, que se refere ao desenho em anexo, que representa várias modalidades não restritivas do mesmo.
[00030] Nos desenhos em anexo:
[00031] - As Figuras | e 2 mostram vistas esquemáticas de uma biela plana durante sua fabricação através do método de acordo com a invenção,
[00032] - A Figura 3 mostra uma vista esquemática de uma variante da mesma biela.
[00033] - A Figura 4 mostra uma vista parcial esquemática e em corte transversal de uma porção da mesma biela,
[00034] - As Figuras 5, 6, 7 e 8 mostram vistas esquemáticas em perspectiva de peças feitas de material compósito produzido de acordo com o método.
[00035] Com referência às Figuras | e 2, vemos uma biela plana 1 feita de material compósito produzido por implementação do método de acordo com a invenção.
[00036] Mais especificamente, a Figura 1 mostra uma primeira etapa da produção de uma estrutura de malha 10 de fibras de reforço F, feitas por enrolamento de filamento.
[00037] A fibra F, que pode consistir, sem limitação, em fios, fitas ou cordões de fibras de reforço, é enrolada entre duas polias 2 e 3 para formar as duas oculares da biela 1 e transportada por uma armação, não mostrada.
[00038] De acordo com a invenção, a estrutura também carrega rolos 4 ou polias intermediárias, dispostas entre as polias 2 e 3, e nas quais a fibra F também é enrolada.
[00039] Esses rolos 4 ou as polias intermediárias permitem a criação, entre cada par de rolos 4, de barras 5 que formam a estrutura de malha 10.
[00040] Na Figura 2, vemos uma próxima etapa do método, que consiste em moldar na estrutura de malha 10 uma matriz termoendurecível ou termoplástica M, conforme o caso, os rolos 4 e as barras 5 sendo incorporados nessa matriz M.
[00041] Ao fazer referência agora à Figura 3, vemos que o método de acordo com a invenção permite múltiplas possibilidades de se fazer a estrutura de malha 10, especialmente quando os rolos 4 têm um diâmetro determinado.
[00042] Assim, é possível, ao fazer uma mudança na direção do enrolamento em um carretel 4, passar de um lado ou do outro, esticar fibras F obliquamente em uma barra 5.
[00043] Os rolos 4 permitem variar os rolos diretos ou cruzados, simples ou múltiplos, de modo a permitir uma otimização da malha de fibra.
[00044] Deve-se notar que a moldagem da matriz M é realizada em um molde, não mostrado, e que neste último pode ser disposto, antes da moldagem, várias pré-formas, cada uma composta por uma estrutura de malha 10.
[00045] Deve-se notar também que, nas Figuras 1,2 e 3, os rolos 4 podem, de acordo com a invenção, como não pode ser visto em uma vista de cima, não estar no mesmo plano, de modo que as barras 5 estejam inclinadas em planos que não são perpendiculares aos eixos dos rolos 4.
[00046] Com referência à Figura 4, podemos ver um rolo 4 ou polia intermediária. Esse rolo 4 compreende, nesta modalidade não restritiva, um mastro 40 e duas flanges laterais 41.
[00047] Será entendido que esse rolo 4 permite que as fibras F se estendam em planos que não são perpendiculares ao eixo do mastro
40.
[00048] De acordo com a invenção, o enrolamento da fibra F ao nível de tal rolo 4 é dividido em várias fases. Em uma primeira etapa, um enrolamento inicial 42 é realizado em torno do mastro 40 entre as flanges 41, a fim de fornecer o nó a ser formado com a resistência e a rigidez mínima, e então, um enrolamento é realizado em outro rolo 4 para criar as barras 5 e, finalmente, enrolamentos 43 em torno do mastro 40 e entre as fibras F que formam as barras 5 e executadas durante e/ou após a criação dos enrolamentos para a criação das barras 5.
[00049] O objetivo desses enrolamentos é bloquear a deformação em compressão na área enrolada, mas também reduzir, de acordo com a necessidade, o comprimento das barras 5 propensas a flambagem.
[00050] Com referência às Figuras 5, 6,7 e 8, podemos ver peças de compósito 6, 7, 8 e 9, respectivamente, feitos através de implementação do método de acordo com a invenção.
[00051] Pode-se observar que o enrolamento das fibras pode ser feito entre dois rolos 4 com eixos não paralelos. O enrolamento obtido dessa maneira é torcido globalmente, cumprindo a retidão das vigas 50 de fibras que formam as barras 5.
[00052] Esta torção associada à escolha do diâmetro dos rolos 4 permite criar fibras tridimensionais, potencialmente com resistência fora do plano.
[00053] Deve-se notar que alguns rolos 4 dessas peças 6,7,8 e 9 constituem formas de interface.
[00054] É possível criar uma malha de fibra tridimensional adequada para otimizar a criação de fibras de uma peça de volume com uma resistência mecânica durante as fases de compressão das barras 5 que formam a malha 10.

Claims (7)

REIVINDICAÇÕES
1. Método para produzir uma peça feita de material compósito caracterizado pelo fato de que consiste na adição de uma matriz termoplástica ou termoendurecível (M) em torno de uma pré-forma (10) composta por uma malha de fibra de reforço (F) feita por enrolamento de filamentos ao redor das esporas ou semelhantes de uma estrutura, em que consiste em enrolar, além disso, as fibras (F) em um ou mais rolos (4) dentro da matriz (M), em que os eixos das ditas esporas ou semelhantes e os ditos um ou mais rolos (4) têm orientações diferentes, de modo a fornecer a dita malha (10) de fibras com uma forma tridimensional.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os enrolamentos são feitos entre pares de rolos internos (4) a fim de formar barras (5) formando a estrutura de malha (10).
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os enrolamentos entre dois rolos (4) de um par de rolos (4) são feitos passando-se de um lado ou de outro de um e/ou outro rolo (4), de modo a criar, dentro da barra (5) que conecta os ditos dois rolos (4), pelo menos um cruzamento de fibras (F).
4. Método, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que, antes de iniciar o enrolamento da fibra (F) em um rolo (4) para outro rolo (4) para criar uma barra (5), um ou mais enrolamentos completos são feitos ao redor do rolo (4).
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de que um ou vários enrolamentos de consolidação completos são realizados ao redor do rolo (4) entre as fibras (F) que formam as barras (5), durante e/ou após a execução dos enrolamentos para criar as ditas barras (5).
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a adição de uma matriz termoplástica ou termoendurecível (M) ao redor da pré-forma (10) é realizada por imersão, pulverização ou sobremoldagem.
7. Peça de material compósito (1; 6; 7; 8; 9) caracterizada pelo fato de que compreende uma pré-forma (10) composta de uma malha de fibra de reforço (F) feita por enrolamento de filamentos em torno das esporas ou semelhantes de uma armação e aos quais foi adicionada uma matriz termoplástica ou termoendurecível (M), em que é obtida pelo método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
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