BR112019026685B1

BR112019026685B1 - WOVEN THREE-DIMENSIONAL FIBER REINFORCED STRUCTURE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME

Info

Publication number: BR112019026685B1
Application number: BR112019026685-2A
Authority: BR
Inventors: Harun Bayraktar
Original assignee: Albany Engineered Composites, Inc
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2023-07-25

Abstract

É revelada uma estrutura reforçada de fibra tridimensional (3D) tecida e método para produzir a mesma com tensão de cisalhamento e rigidez melhoradas. A estrutura é fabricada a partir de estopas com reforço de fibra fora do eixo geométrico. As estopas podem substituir estopas de urdidura ou de trama usadas em processos de tecelagem 3D padrão.A woven three-dimensional (3D) fiber reinforced structure and method for producing the same with improved shear stress and stiffness are disclosed. The structure is manufactured from tow with fiber reinforcement outside the geometric axis. Burlap can replace warp or weft tow used in standard 3D weaving processes.

Description

Background of the technique Field of Revelation

[001] O pedido refere-se a estruturas de suporte de carga e métodos para produzir as mesmas. Em particular, as estruturas de suporte de carga são produzidas a partir de panos tecidos (do inglês, woven fabric) tridimensionais (3D).[001] The application relates to load-bearing structures and methods for producing the same. In particular, load-bearing structures are produced from three-dimensional (3D) woven fabrics.

Related Technique

[002] Em estruturas de suporte de carga (automóveis, aviões, pontes etc.), muitas vezes os casos de carga e as restrições geométricas criam um caminho de carga que sujeita o material a tensões de cisalhamento significativas. Por exemplo, uma fuselagem de aeronave experimentará cargas de voo de torção que resultam em tensões de cisalhamento na pele da fuselagem. Como tal, é uma característica importante que o material utilizado nessas estruturas tenha rigidez e resistência adequadas ao cisalhamento.[002] In load-bearing structures (automobiles, airplanes, bridges, etc.), load cases and geometric constraints often create a load path that subjects the material to significant shear stresses. For example, an aircraft fuselage will experience torsional flight loads that result in shear stresses in the fuselage skin. As such, it is an important characteristic that the material used in these structures has adequate stiffness and resistance to shear.

[003] Uma estrutura comum para melhorar a rigidez e resistência ao cisalhamento são os compósitos laminados construídos a partir de camadas tecidas unidirecionais (uniaxial) ou biaxiais. Essas camadas, que possuem propriedades de cisalhamento fracas, são colocadas em vários ângulos para criar laminados com propriedades de cisalhamento que são dramaticamente aprimoradas. Mais comumente, os laminados são colocados em ângulos de 0°, 45° ou 90° em diferentes proporções para atender aos requisitos de projeto estrutural, mas também são possíveis outros ângulos.[003] A common structure for improving stiffness and shear resistance are laminated composites constructed from unidirectional (uniaxial) or biaxial woven layers. These layers, which have weak shear properties, are placed at various angles to create laminates with shear properties that are dramatically improved. Most commonly, laminates are placed at angles of 0°, 45° or 90° in different proportions to meet structural design requirements, but other angles are also possible.

[004] A Figura 1 ilustra um composto tecido 3D que é tecido biaxialmente. Isto é, as estopas (do inglês, tows) e fibras são em direções de urdidura (0°) e de trama (90°). Os compósitos tecidos biaxialmente em três dimensões têm várias camadas, como mostrado na Figura 1A. A falta de fibras de obliquidade em outros ângulos, combinada com as propriedades de cisalhamento inerentemente fracas das estopas, leva à fraca rigidez e resistência ao cisalhamento de macroescala que pode se manifestar em carregamento com cisalhamento puro ou quando carregadas a 45°. A rigidez e resistência ao cisalhamento no plano são uma fraqueza para certas aplicações. A Figura 1B mostra uma comparação de resistência à tração (tensão-deformação) para um compósito tecido 3D com reforço de fibra de carbono de módulo intermediário quando carregado nas direções 0° (urdidura), 45° (obliquidade) e 90° (trama). Em que COV é o coeficiente de variação e IM7 é reforço de fibra de carbono de módulo intermediário. Um valor típico para módulo de cisalhamento no plano (G12) é cerca de 5,5 GPa.[004] Figure 1 illustrates a 3D woven composite that is biaxially woven. That is, the tows and fibers are in warp (0°) and weft (90°) directions. Biaxially woven composites in three dimensions have multiple layers, as shown in Figure 1A. The lack of obliquity fibers at other angles, combined with the inherently weak shear properties of tows, leads to poor macroscale stiffness and shear strength that can manifest itself in pure shear loading or when loaded at 45°. Stiffness and in-plane shear resistance are a weakness for certain applications. Figure 1B shows a tensile strength (stress-strain) comparison for a 3D woven composite with intermediate modulus carbon fiber reinforcement when loaded in the 0° (warp), 45° (skew), and 90° (weft) directions. . Where COV is the coefficient of variation and IM7 is intermediate modulus carbon fiber reinforcement. A typical value for in-plane shear modulus (G12) is about 5.5 GPa.

[005] Alguns pesquisadores tentaram resolver essa fraqueza de rigidez e resistência ao cisalhamento no plano dos compósitos biaxialmente tecidos em 3D ao tecer em estopas de obliquidade em ângulos diferentes de 0° e 90°, o que pode aumentar significativamente a complexidade do sistema e processo de tecelagem. Consulte, por exemplo, Labanieh et al, “Conception and characterization of multiaxis 3d woven preform,” 2013, TexComp Conference, Leuven, Bélgica.[005] Some researchers have attempted to resolve this weakness of stiffness and in-plane shear strength of 3D biaxially woven composites by weaving in obliquity tow at angles other than 0° and 90°, which can significantly increase the complexity of the system and process. of weaving. See, for example, Labanieh et al, “Conception and characterization of multiaxis 3d woven preform,” 2013, TexComp Conference, Leuven, Belgium.

Summary of the revelation

[006] A revelação é direcionada a uma estrutura tecida tridimensional (3D) e método para produzir a estrutura. A estrutura inclui uma pluralidade de primeiros fios em uma direção particular e uma pluralidade de segundos fios em outra direção intertecida com a pluralidade de primeiros fios. Pelo menos alguns segundos fios incluem pelo menos um fio de reforço de obliquidade.[006] The disclosure is directed to a three-dimensional (3D) woven structure and method for producing the structure. The structure includes a plurality of first strands in a particular direction and a plurality of second strands in another direction interwoven with the plurality of first strands. At least some second strands include at least one skew reinforcing strand.

[007] Em uma modalidade, pelo menos alguns segundos fios são uma estrutura laminada que tem pelo menos três camadas que incluem pelo menos uma segunda camada de obliquidade de fio, sendo que cada uma das pelo menos uma segunda camada de obliquidade de fios têm fibras em um ângulo diferente de 0° ou 90° em relação às fibras em segundas camadas de fio que não são segundas camadas de obliquidade de fios.[007] In one embodiment, at least some second yarns are a laminated structure that has at least three layers that include at least one second yarn bias layer, each of the at least one second yarn bias layer having fibers at an angle other than 0° or 90° to the fibers in second yarn layers that are not second yarn skew layers.

[008] A estrutura laminada pode incluir uma primeira camada de segundo fio de fibras em uma primeira direção e uma segunda camada de segundo fio de fibras em uma segunda direção. A pelo menos uma segunda camada de obliquidade de fios de fibras é disposta entre as primeira e segunda camadas do segundo fio, e fibras em uma primeira camada de obliquidade de segundo fio estão em um primeiro ângulo em relação à primeira direção.[008] The laminated structure may include a first layer of second strand of fibers in a first direction and a second layer of second strand of fibers in a second direction. The at least one second skew layer of fiber strands is disposed between the first and second layers of the second strand, and fibers in a first skew layer of second strand are at a first angle with respect to the first direction.

[009] A estrutura laminada também pode incluir uma segunda camada de obliquidade de segundo fio de fibras disposta entre a primeira e segunda camadas do segundo fio, com n fibras na segunda camada de obliquidade de segundo fio em um segundo ângulo em relação à primeira direção.[009] The laminated structure may also include a second skew layer of second strand of fibers disposed between the first and second layers of the second strand, with n fibers in the second skew layer of second strand at a second angle relative to the first direction .

[010] A estrutura também pode incluir pelo menos alguns primeiros fios que são uma estrutura laminada que tem pelo menos três camadas que incluem pelo menos uma primeira camada de obliquidade de fio, sendo que cada uma das pelo menos uma primeira camada de obliquidade de fios tem fibras em um ângulo diferente de 0° ou 90° em relação às fibras em primeiras camadas de fio que não são primeiras camadas de obliquidade de fios. A estrutura laminada também pode incluir uma primeira camada de primeiro fio de fibras em uma terceira direção e uma segunda camada de primeiro fio de fibras em uma quarta direção. A pelo menos uma primeira camada de obliquidade de fios de fibras é disposta entre a primeira e segunda camadas de primeiro fio, e fibras em uma primeira camada de obliquidade de primeiro fio estão em outro primeiro ângulo em relação à primeira direção.[010] The structure may also include at least some first yarns that are a laminated structure that has at least three layers that include at least one first yarn bias layer, each of the at least one first yarn bias layer has fibers at an angle other than 0° or 90° relative to fibers in first layers of yarn that are not first layers of yarn skew. The laminated structure may also include a first layer of first strand of fibers in a third direction and a second layer of first strand of fibers in a fourth direction. The at least one first skew layer of fiber strands is disposed between the first and second first strand layers, and fibers in a first first strand skew layer are at another first angle with respect to the first direction.

[011] Em outra modalidade, pelo menos alguns dos segundos fios são estopas trançadas e podem incluir pelo menos alguns dos primeiros fios como estopas trançadas.[011] In another embodiment, at least some of the second strands are braided tow and may include at least some of the first strands as braided tow.

[012] Em ainda outra modalidade, pelo menos alguns dos segundos fios são fitas multiaxiais e podem incluir pelo menos alguns dos primeiros fios como fitas multiaxiais.[012] In yet another embodiment, at least some of the second strands are multiaxial tapes and may include at least some of the first strands as multiaxial tapes.

Brief description of the drawings

[013] Os desenhos anexos, que são incluídos para fornecer uma compreensão adicional da invenção, são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo. Os desenhos apresentados no presente documento ilustram diferentes modalidades da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos:[013] The attached drawings, which are included to provide a further understanding of the invention, are incorporated into and constitute a part of this specification. The drawings presented in this document illustrate different embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. In the drawings:

[014] A Figura 1A ilustra uma tecelagem 3D de camada-a-camada da técnica relacionada.[014] Figure 1A illustrates a layer-by-layer 3D weaving of the related technique.

[015] A Figura 1B ilustra uma relação deformação- tensão de tração típica em um compósito tecido 3D biaxialmente com nenhum reforço de fibra de obliquidade.[015] Figure 1B illustrates a typical strain-tensile stress relationship in a 3D biaxially woven composite with no obliquity fiber reinforcement.

[016] A Figura 2 ilustra uma estrutura de uma estopa multidirecional e multicamada.[016] Figure 2 illustrates a structure of a multidirectional and multilayer tow.

[017] A Figura 3 é uma comparação gráfica das constantes elásticas de três estruturas de amostra.[017] Figure 3 is a graphical comparison of the elastic constants of three sample structures.

[018] A Figura 4 é uma fotografia de uma pré-forma tecida em 3D construída com fios trançados que contém reforço de fibra fora do eixo geométrico.[018] Figure 4 is a photograph of a 3D woven preform constructed with braided yarns that contains off-axis fiber reinforcement.

[019] As Figuras 5 e 6 são fotografias do compósito formado a partir da pré-forma da Figura 4.[019] Figures 5 and 6 are photographs of the composite formed from the preform in Figure 4.

[020] As Figuras 7A-7B ilustram exemplos de fios que contêm orientação fora do eixo geométrico de fibras.[020] Figures 7A-7B illustrate examples of yarns that contain orientation outside the geometric axis of fibers.

[021] A Figura 8 ilustra um sumário dos resultados do módulo de tração e resistência para uma amostra que compreende uma estopa multiaxial.[021] Figure 8 illustrates a summary of the tensile modulus and resistance results for a sample comprising a multiaxial tow.

[022] A Figura 9 ilustra o desempenho de tensão- deformação de tração no plano de um composto tecido 3D composto por reforço de fibra multiaxial.[022] Figure 9 illustrates the in-plane tensile stress-strain performance of a 3D woven composite composed of multiaxial fiber reinforcement.

[023] A Figura 10 ilustra uma comparação entre as respostas de tração de 45° no plano para compósitos tecidos 3D compreendidos por reforço multiaxial e reforço uniaxial.[023] Figure 10 illustrates a comparison between the 45° in-plane tensile responses for 3D woven composites comprised of multiaxial reinforcement and uniaxial reinforcement.

Detailed Description

[024] Os termos “que compreende” e “compreende” nesta revelação podem significar “que inclui” e “inclui” ou podem ter o significado dado geralmente ao termo “que compreende” ou “compreende” na Lei de Patentes dos EUA. Os termos “que consiste essencialmente em” ou “consiste essencialmente em” se usados nas reivindicações, tem o significado que lhes é atribuído na Lei de Patentes dos EUA. Outros aspectos da invenção são descritos ou são evidentes (e dentro do escopo da invenção) na seguinte revelação.[024] The terms “comprising” and “comprising” in this disclosure may mean “which includes” and “includes” or may have the meaning generally given to the term “comprising” or “comprising” in the US Patent Law. The terms “essentially consisting of” or “consisting essentially of” if used in the claims, have the meaning ascribed to them in the U.S. Patent Law. Other aspects of the invention are described or are apparent (and within the scope of the invention) in the following disclosure.

[025] Os termos “filamentos”, “fibras”, e “fios” são usados de modo intercambiável na seguinte descrição. “Filamentos”, “fibras” e “fios”, como usados no presente documento, podem se referir a fios monofilamento e multifilamento, fios retorcidos, fios texturizados, fios revestidos, fios bicomponentes, bem como fios produzidos a partir de fibras rompidas por estiramento de quaisquer materiais conhecidos pelos especialistas na técnica. “Estopas” são compreendidas por múltiplas fibras e são chamadas no presente documento de modo intercambiável de, e incluem as estruturas de estopas, estopas multifilamentos, estopas multifibras e estopas trançadas. As fibras podem ser produzidas a partir de carbono, náilon, raiona, fibra de vidro, algodão, cerâmica, aramida, poliéster, metal, vidro de polietileno e/ou outros materiais que exibam as desejadas propriedades físicas, térmicas, químicas ou outras propriedades.[025] The terms “filaments”, “fibers”, and “yarns” are used interchangeably in the following description. “Filaments”, “fibers” and “yarns”, as used herein, may refer to monofilament and multifilament yarns, stranded yarns, textured yarns, coated yarns, bicomponent yarns, as well as yarns produced from stretch-broken fibers of any materials known to those skilled in the art. “Tow” is comprised of multiple fibers and is interchangeably referred to herein as, and includes the structures of tow, multifilament tow, multifiber tow and braided tow. The fibers can be produced from carbon, nylon, rayon, fiberglass, cotton, ceramic, aramid, polyester, metal, polyethylene glass and/or other materials that exhibit the desired physical, thermal, chemical or other properties.

[026] O termo "dobrado" é amplamente usado no presente documento para significar "formação", que inclui desdobramento, dobra e outros termos para manipular a forma do pano tecido. O termo “obliquidade” é usado de modo intercambiável com “fora do eixo geométrico” e significa em um ângulo diferente de 0° e 90°, em relação a uma referência declarada.[026] The term "folded" is widely used herein to mean "forming", which includes unfolding, folding and other terms for manipulating the shape of the woven cloth. The term “obliquity” is used interchangeably with “off axis” and means at an angle other than 0° and 90° relative to a stated reference.

[027] Para uma melhor compreensão da invenção, suas vantagens e objetivos alcançados por seus usos, é feita referência à matéria descritiva anexa na qual modalidades não limitativas da invenção são ilustradas nos desenhos anexos e nas quais componentes correspondentes são identificados pelos mesmos numerais de referência.[027] For a better understanding of the invention, its advantages and objectives achieved by its uses, reference is made to the attached descriptive matter in which non-limiting embodiments of the invention are illustrated in the attached drawings and in which corresponding components are identified by the same reference numerals .

[028] A revelação desta invenção descreve um produto e método de fabricação do produto para melhorar as propriedades de cisalhamento no plano para estruturas tecidas usando-se estopas que possuem propriedades de cisalhamento aprimoradas, que podem ser tecidas pelo uso de equipamentos e processos de tecelagem 3D existentes. Embora, como discutido acima, os panos tecidos biaxialmente possam empregar camadas de obliquidade laminadas para melhorar as propriedades de cisalhamento no plano, a presente revelação fornece melhoria nas propriedades de cisalhamento no plano ao tecer estopas que são construídas para que tenha reforço fora do eixo (obliquidade). Isto é, as estopas contêm reforço de fibra em várias direções em relação à direção axial da estopa. As estopas podem ter várias camadas, como fitas laminadas, fitas multiaxiais ou multiaxiais, como uma trança, que é uma camada única e não contém camadas unidirecionais. As estopas reveladas no presente documento podem ser utilizadas para alguns ou todas as estopas em qualquer ou em todas as direções do tecido. Por exemplo, as estopas podem ser usadas para alguns ou todas as estopas em cada uma das direções de urdidura e de trama, ou em ambas, do pano tecido. Em outro exemplo, as estopas podem ser usadas em algumas ou todas as estopas ou na direção de urdidura ou de trama enquanto estopas uniaxiais são usadas nas direções de urdidura ou de trama restantes. Contempla-se que as estopas também possam ser usadas em uma camada de obliquidade de um tecido laminado.[028] The disclosure of this invention describes a product and product manufacturing method for improving in-plane shear properties for woven structures using tow that has improved shear properties, which can be woven using weaving equipment and processes. existing 3D. Although, as discussed above, biaxially woven cloths may employ laminated obliquity layers to improve in-plane shear properties, the present disclosure provides improvement in in-plane shear properties by weaving tow that is constructed to have off-axis reinforcement ( obliquity). That is, the tow contains fiber reinforcement in various directions relative to the axial direction of the tow. Burlap can be multi-layered, such as laminated tapes, multi-axial tapes, or multi-axial tapes such as braid, which is a single layer and does not contain unidirectional layers. The tows disclosed herein may be used for some or all tows in any or all directions of the fabric. For example, tow can be used for some or all of the tow in each of the warp and weft directions, or both, of the woven cloth. In another example, tows may be used in some or all tows or in the warp or weft direction while uniaxial tows are used in the remaining warp or weft directions. It is contemplated that tow can also be used in an obliquity layer of a laminated fabric.

[029] A Figura 2 ilustra uma vista em corte de uma modalidade de uma estopa 200 multiaxial e multicamada que tem quatro camadas. As fibras nas camadas externas 202 são orientadas em uma direção específica, que para fins de referência será referida como 0°. As fibras em uma primeira camada intermediária 204 são orientadas em +45° e as fibras em uma segunda camada intermediária 206 são orientadas em - 45°, em relação às fibras na camada externa 202. Embora as estopas sejam mostradas com fibras em +/-45° nas camadas intermediárias, outros ângulos, incluindo +/- 30° ou +/60°, podem ser preferidos devido a outras considerações. Além disso, os ângulos mostrados e discutidos para as camadas uniaxiais de obliquidade são apenas ilustrativos e podem ser angulados um em relação ao outro, conforme as necessidades do projeto exigirem. Deve-se notar que mais ou menos camadas podem ser usadas, dependendo das necessidades do projeto.[029] Figure 2 illustrates a sectional view of an embodiment of a multiaxial and multilayer tow 200 that has four layers. The fibers in the outer layers 202 are oriented in a specific direction, which for reference purposes will be referred to as 0°. The fibers in a first intermediate layer 204 are oriented at +45° and the fibers in a second intermediate layer 206 are oriented at -45°, relative to the fibers in the outer layer 202. Although the tows are shown with fibers at +/- 45° in the intermediate layers, other angles including +/- 30° or +/60° may be preferred due to other considerations. Additionally, the angles shown and discussed for the uniaxial obliquity layers are illustrative only and may be angled relative to each other as project needs require. It should be noted that more or fewer layers can be used depending on the project needs.

[030] Cada uma das camadas 202, 204, 206 pode ter várias camadas de fibras na mesma orientação para ter uma espessura desejada D. Deve-se notar que a espessura de cada camada pode ser igual ou diferente de outras camadas, conforme necessário aos requisitos de projeto. Uma espessura exemplificativa de cada camada está na faixa de 0,01” (0,025 cm) a 0,075” (0,190 cm), sendo que 0,0625” (0,159 cm) é uma espessura nominal.[030] Each of the layers 202, 204, 206 may have multiple layers of fibers in the same orientation to have a desired thickness D. It should be noted that the thickness of each layer may be the same or different from other layers as required by the project requirements. An exemplary thickness of each layer is in the range of 0.01” (0.025 cm) to 0.075” (0.190 cm), with 0.0625” (0.159 cm) being a nominal thickness.

[031] A estopa 200 pode ser fabricada na largura de fita desejada W ou como uma folha e cortada em fitas da largura desejada W. Os tecidos multicamadas e multidirecionais sem crimpagem (NCF) podem ser tratados com véus termoplásticos em uma ou em ambas as superfícies externas da primeira e da última camada 202 e depois cortadas na largura de fita W para disposição automatizada de fita (ATL) ou, neste caso, aplicações de tecelagem 3D.[031] Burlap 200 can be manufactured in the desired ribbon width W or as a sheet and cut into ribbons of the desired width W. Multilayer and multidirectional non-crimp fabrics (NCF) can be treated with thermoplastic veils in one or both sides. outer surfaces of the first and last layer 202 and then cut to tape width W for automated tape laying (ATL) or, in this case, 3D weaving applications.

[032] Uma largura de fita exemplificativa W do reboque está na faixa de 0,02” (0,051 cm) a 0,75” (1,905 cm), sendo que 0,25” (0,635 cm) é uma largura nominal. Independentemente disso, as estopas multidirecionais e multicamadas construídas como descrito no presente documento são usadas para fabricar uma pré-forma tecida biaxialmente 3D da configuração desejada.[032] An exemplary tape width W of the trailer is in the range of 0.02” (0.051 cm) to 0.75” (1.905 cm), with 0.25” (0.635 cm) being a nominal width. Regardless, multidirectional and multilayer tows constructed as described herein are used to fabricate a 3D biaxially woven preform of the desired configuration.

[033] As pré-formas tecidas biaxialmente em 3D podem ser tecidas com várias bifurcações dentro da pré- forma para resultar em uma pré-forma com várias formas de seção transversal, incluindo Pi, T, H, O I e outras formas conhecidas pelos especialistas na técnica, além de uma folha de tecido 3D com várias camadas. Uma pré-forma tridimensional de tecido biaxial 3D pode subsequentemente ser impregnada com resina para formar uma estrutura compósita.[033] 3D biaxially woven preforms can be woven with various bifurcations within the preform to result in a preform with various cross-sectional shapes, including Pi, T, H, O I and other shapes known to those skilled in the art. in technique, as well as a multi-layered 3D fabric sheet. A three-dimensional preform of 3D biaxial fabric can subsequently be impregnated with resin to form a composite structure.

[034] As estopas podem ser usadas em qualquer técnica de tecelagem conhecida, incluindo, porém sem limitação, Jacquard ou tecelagem de dobby com teares de lançadeira e com pinças. A Figura 2 ilustra uma estopa que é uma estrutura laminada. No entanto, fibras aglutinantes adicionais, não mostradas, podem ser adicionadas à estrutura laminada, como é conhecido pelos especialistas na técnica.[034] Burlap can be used in any known weaving technique, including, but not limited to, Jacquard or dobby weaving with shuttle looms and rapiers. Figure 2 illustrates a tow that is a laminated structure. However, additional binder fibers, not shown, may be added to the laminated structure, as is known to those skilled in the art.

[035] Tais métodos de fabricação criam um tecido fino sem crimpagem (NCF) e/ou material tratado com resina semelhante ao Hi-Tape® que pode ser usado diretamente em compósitos laminados ou na fabricação de layouts de fita automatizados (ATL).[035] Such manufacturing methods create a thin non-crimp fabric (NCF) and/or resin-treated material similar to Hi-Tape® that can be used directly in laminated composites or in the manufacture of automated tape layouts (ATL).

[036] Como ilustrado, a estopa 200 é um laminado com uma forma de seção transversal substancialmente retangular, que pode ser referida como uma fita laminada. No entanto, outras formas são possíveis e a estopa pode, por exemplo, ser uma trança achatada com uma fibra ou fibras fora do eixo geométrico, como a estopa trançada mostrada na Figura 7A ou as fitas multiaxiais mostradas na Figura 7B.[036] As illustrated, tow 200 is a laminate with a substantially rectangular cross-sectional shape, which can be referred to as a laminated tape. However, other shapes are possible and the tow may, for example, be a flat braid with a fiber or fibers outside the geometric axis, such as the braided tow shown in Figure 7A or the multiaxial ribbons shown in Figure 7B.

[037] Como discutido acima, os fios podem ter uma estrutura de fita laminada com uma ou mais camadas de obliquidade. Isto é, as camadas de obliquidade são camadas produzidas a partir de fibras que estão em um ângulo diferente de 0 graus ou 90 graus em relação às camadas que não são camadas de obliquidade. Embora, na Figura 2, as camadas externas sejam mostradas com fibras na mesma direção, isso não é uma restrição. De fato, as camadas da estrutura laminada podem ser em qualquer disposição desejada como necessidades de projeto. Consequentemente, não há restrição sobre onde na pilha laminada estão as camadas de obliquidade em relação a outras camadas. E a direção angular das fibras em uma camada de obliquidade pode ser igual ou diferente da direção angular das fibras em outras camadas de obliquidade. Além do mais, as fibras em camadas de obliquidade podem estar em 0 grau ou 90 graus entre si.[037] As discussed above, the wires may have a laminated tape structure with one or more layers of obliquity. That is, obliquity layers are layers produced from fibers that are at an angle other than 0 degrees or 90 degrees relative to layers that are not obliquity layers. Although, in Figure 2, the outer layers are shown with fibers in the same direction, this is not a restriction. In fact, the layers of the laminated structure can be in any desired arrangement as per design needs. Consequently, there is no restriction on where in the laminated stack the obliquity layers are in relation to other layers. And the angular direction of fibers in one obliquity layer may be the same or different from the angular direction of fibers in other obliquity layers. Furthermore, fibers in obliquity layers can be at 0 degrees or 90 degrees to each other.

[038] A Figura 8 mostra um sumário de resultados de testes experimentais de módulo e resistência à tração para uma amostra que compreende uma estopa multiaxial reforçada com fibra 3D quando carregada nas direções 0° (urdidura), 45° (obliquidade) e 90° (trama).[038] Figure 8 shows a summary of experimental test results of modulus and tensile strength for a sample comprising a 3D fiber reinforced multiaxial tow when loaded in the directions 0° (warp), 45° (oblique) and 90° (plot).

[039] O teste foi realizado com as seguintes condições:[039] The test was carried out with the following conditions:

[040] Tipo de estopa: Fibra de carbono Toray® T300[040] Tow type: Toray® T300 carbon fiber

[041] Tamanho (ou tamanhos) da estopa: 1K - número de filamentos por estopa[041] Tow size (or sizes): 1K - number of filaments per tow

[042] Número de estopas: 24 - número de estopas usadas para tecer o reforço trançado.[042] Number of tows: 24 - number of tows used to weave the braided reinforcement.

[043] Número de estopas retas vs. Anguladas 8 vs. 16: 8 estopas são usados na direção axial. As 16 estopas restantes são entrelaçadas por meio de um processo de trança.[043] Number of straight tows vs. Angled 8 vs. 16:8 tows are used in the axial direction. The remaining 16 tows are interwoven through a braiding process.

[044] Ângulo pretendido da trança: 45° (realmente ~55°)[044] Intended braid angle: 45° (actually ~55°)

[045] Painel final FV (volume de fibras): ~55%[045] PV final panel (fiber volume): ~55%

[046] Contempla-se que estopas trançadas achatadas podem simular estopas multiaxiais. As propriedades de estopa homogeneizadas são baseadas no volume de fibra da lâmina de 58%, o que torna o volume total de fibra compósita de 46%. G12 do compósito melhora pelo uso de estopas trançadas (~17 GPa versus 4 a 5GPa esperado).[046] It is contemplated that flat braided tow can simulate multiaxial tow. Homogenized tow properties are based on blade fiber volume of 58%, which makes the total composite fiber volume 46%. G12 of the composite is improved by the use of braided tow (~17 GPa versus 4 to 5GPa expected).

[047] A Figura 9 mostra resultados experimentais para desempenho de tensão-deformação de tração no plano para um compósito tecido 3D compreendido por reforço de estopa trançada multiaxial. Note que o módulo (inclinação das linhas) das direções de obliquidade, trama e urdidura são muito similares. Isso é um resultado da incorporação de reforço de fibra fora do eixo geométrico dentro das estopas trançadas usadas durante o processo de tecelagem 3D.[047] Figure 9 shows experimental results for in-plane tensile stress-strain performance for a 3D woven composite comprised of multiaxial braided tow reinforcement. Note that the modulus (inclination of the lines) of the obliquity, weft and warp directions are very similar. This is a result of incorporating off-axis fiber reinforcement within the braided tow used during the 3D weaving process.

[048] Como pode ser visto, o módulo da Figura 9 é similar ao do reforço multiaxial da Figura 8, enquanto que a imagem mostrada na técnica relacionada da Figura 1B tem respostas muito diferentes do compósito quando carregado nas direções de urdidura, trama e obliquidade (45°).[048] As can be seen, the modulus of Figure 9 is similar to that of the multiaxial reinforcement of Figure 8, while the image shown in the related technique of Figure 1B has very different responses from the composite when loaded in the warp, weft and obliquity directions. (45°).

[049] A Figura 10 mostra uma comparação entre as respostas de tração de 45° no plano para compósitos tecidos 3D compreendidos por reforço multiaxial e reforço uniaxial. O módulo associado ao reforço multiaxial é substancialmente maior que o do reforço uniaxial.[049] Figure 10 shows a comparison between the 45° in-plane tensile responses for 3D woven composites comprised of multiaxial reinforcement and uniaxial reinforcement. The modulus associated with multiaxial reinforcement is substantially greater than that of uniaxial reinforcement.

[050] A Figura 4 é uma fotografia de uma pré-forma tecida 3D 400 com fios trançados com uma fibra fora do eixo geométrico, em vez de uma fita plana. A fibra fora do eixo geométrico nos fios trançados tecidos nas direções de urdidura e trama é a seção central 410 através da largura. Os terços superior e inferior 420 e 430 são tecidos com fios trançados multidirecionais na direção da urdidura e estopas uniaxiais padrão na direção da trama. Isso ilustra que as pré-formas híbridas podem ser tecidas misturando-se estopas padrão e multiaxiais para atender aos requisitos de desempenho. O fio trançado é uma estopa multidirecional em vez de apenas fibra fora do eixo geométrico. O mesmo fornece reforço dentro e fora do eixo geométrico. A estopa trançada pode ter fibras no eixo geométrico além de fibras fora do eixo geométrico.[050] Figure 4 is a photograph of a 3D woven preform 400 with braided yarns with an off-axis fiber, rather than a flat ribbon. The off-axis fiber in braided yarns woven in the warp and weft directions is the center section 410 across the width. The upper and lower thirds 420 and 430 are woven with multi-directional braided yarns in the warp direction and standard uniaxial tow in the weft direction. This illustrates that hybrid preforms can be woven by mixing standard and multiaxial tow to meet performance requirements. Braided yarn is multidirectional tow rather than just off-axis fiber. It provides reinforcement inside and outside the geometric axis. Braided tow can have fibers on the geometric axis in addition to fibers outside the geometric axis.

[051] As Figuras 5 e 6 são fotografias do compósito do pano tecido 3D da Figura 4.[051] Figures 5 and 6 are photographs of the 3D woven cloth composite of Figure 4.

[052] Três configurações da estrutura compósita de tecido 3D que usa estopas multidirecionais e multicamadas da presente invenção foram comparadas pelo uso de recursos de homogeneização micromecânica incorporados no software 3D Composite Studio™ da Albany Engineered Composites (AEC):[052] Three configurations of the 3D fabric composite structure using multidirectional and multilayer tows of the present invention were compared using micromechanical homogenization capabilities incorporated into Albany Engineered Composites' (AEC) 3D Composite Studio™ software:

Example 1:

[053] Um compósito tecido 3D fabricado com fita uniaxial com teor e dimensões de fibras similares a Hexcel Hi-Tape®. O fator de embalagem de estopa é 60%, resultando em um volume de fibras geral de 50%. O teor de fibras nas direções 0°, ±45° e 90° no compósito são 50%, 0% e 50%, respectivamente. Uma arquitetura de fibra de intertravamento de baixo ângulo foi escolhida para calcular as propriedades elásticas do compósito.[053] A 3D woven composite manufactured with uniaxial tape with fiber content and dimensions similar to Hexcel Hi-Tape®. The burlap packing factor is 60%, resulting in an overall fiber volume of 50%. The fiber content in the 0°, ±45° and 90° directions in the composite are 50%, 0% and 50%, respectively. A low-angle interlocking fiber architecture was chosen to calculate the elastic properties of the composite.

Example 2:

[054] Um compósito tecido 3D fabricado com fita multidirecional com teor de fibra e dimensões semelhantes ao Hexcel Hi-Tape®, embora sua construção seja mais semelhante ao material C-Ply™. O fator de embalagem de estopa é 60%, resultando em um volume de fibras geral de 50%. O teor de fibras nas direções 0°, ±45° e 90° no compósito são 25%, 50% e 25%, respectivamente. Cada estopa tem uma distribuição de fibras de 50%, 50% e 0%. A mesma arquitetura de fibra de intertravamento de baixo ângulo do exemplo 1 foi escolhida para calcular propriedades elásticas compostas e quantificar as alterações nas propriedades mecânicas.[054] A 3D woven composite manufactured with multidirectional tape with fiber content and dimensions similar to Hexcel Hi-Tape®, although its construction is more similar to C-Ply™ material. The burlap packing factor is 60%, resulting in an overall fiber volume of 50%. The fiber content in the 0°, ±45° and 90° directions in the composite are 25%, 50% and 25%, respectively. Each tow has a fiber distribution of 50%, 50% and 0%. The same low-angle interlocking fiber architecture as in example 1 was chosen to calculate composite elastic properties and quantify changes in mechanical properties.

Example 3:

[055] Construção de laminado quasi-isotrópico padrão com 50% de volume de fibra e (25%, 50%, 25%) de distribuição de fibra. Isso foi escolhido como uma linha de base para ilustrar as propriedades de cisalhamento mais fracas dos compósitos tecidos 3D padrões (Exemplo 1) e quantificar as melhorias desta invenção (Exemplo 2).[055] Standard quasi-isotropic laminate construction with 50% fiber volume and (25%, 50%, 25%) fiber distribution. This was chosen as a baseline to illustrate the weaker shear properties of standard 3D woven composites (Example 1) and quantify the improvements of this invention (Example 2).

[056] Os resultados comparando os três exemplos estão resumidos na Tabela 1 e na Figura 3. O Exemplo 2 mostra uma melhoria de 3,83X na rigidez ao cisalhamento (Gxy) em relação ao Exemplo 1 e está dentro de 20% da rigidez ao cisalhamento do laminado quasi-isotrópico. Enquanto os módulos axiais (Exx e Eyy) foram significativamente reduzidos em cerca de 33% no Exemplo 2 em comparação com o Exemplo 1, eles estão dentro de 4% do Exemplo 3. Tabela 1 - Comparação das propriedades de compósitos e constantes elásticas dos exemplos. A porcentagem de fibra em 0°, ± 45° e 90° é mostrada para cada configuração. Os valores para Exx, Eyy e Gxy estão em GPa[056] The results comparing the three examples are summarized in Table 1 and Figure 3. Example 2 shows a 3.83X improvement in shear stiffness (Gxy) over Example 1 and is within 20% of the shear stiffness. quasi-isotropic laminate shear. While the axial moduli (Exx and Eyy) were significantly reduced by about 33% in Example 2 compared to Example 1, they are within 4% of Example 3. Table 1 - Comparison of composite properties and elastic constants of the examples. Fiber percentage at 0°, ±45° and 90° is shown for each configuration. Values for Exx, Eyy and Gxy are in GPa

[057] A partir desses resultados, pode-se concluir que, usando um reforço multidirecional como descrito nesta revelação, é possível fabricar um compósito tecido 3D com propriedades de rigidez no plano muito semelhantes ao laminado quasi-isotrópico padrão da indústria, com benefícios adicionais de melhoria através da rigidez e resistência da espessura, tolerância a danos e características de absorção de energia.[057] From these results, it can be concluded that, using multidirectional reinforcement as described in this disclosure, it is possible to manufacture a 3D woven composite with in-plane stiffness properties very similar to the industry standard quasi-isotropic laminate, with additional benefits improvement through thickness rigidity and strength, damage tolerance and energy absorption characteristics.

[058] Os tecidos multidirecionais multicamadas 3D podem ser impregnados com um material de matriz. O material da matriz inclui epóxi, bismaleimida, poliéster, éster de vinil, cerâmica, carbono e outros materiais.[058] 3D multilayer multidirectional fabrics can be impregnated with a matrix material. The matrix material includes epoxy, bismaleimide, polyester, vinyl ester, ceramic, carbon and other materials.

[059] Outras modalidades estão dentro do escopo das seguintes reivindicações.[059] Other modalities are within the scope of the following claims.

Claims

1. Three-dimensional (3D) woven structure characterized by the fact that it comprises: a plurality of first threads in a particular direction; a plurality of second yarns in another direction interwoven with the plurality of first yarns, wherein the at least some second yarns include at least one bias reinforcing yarn, and wherein the at least some second yarns are a laminated structure (200) that has at least three layers (202, 204, 206) that include at least one second yarn bias layer (204, 206), each of the at least one second yarn bias layer (204, 206) having fibers at an angle other than 0° or 90° to the fibers in second yarn layers that are not second yarn skew layers.

2. Woven structure according to claim 1, characterized in that the laminated structure (200) comprises: a first layer of second strand of fibers (202) in a first direction; a second layer of second strand of fibers (202) in a second direction; and wherein the at least one second skew layer of fiber strands (204, 206) is disposed between the first and second layers of the second strand (202), wherein the fibers in a first skew layer of second strand ( 204) are at a first angle to the first direction.

3. Woven structure according to claim 2, characterized by the fact that the first and second directions are the same; and/or wherein the at least some second yarns comprise a first second yarn veil on an outer surface of the first second yarn layer and a second second yarn veil on an outer surface of the second second yarn layer.

4. Woven structure according to claim 2, characterized by the fact that it comprises: a second obliquity layer of second strand of fibers (202) disposed between the first and second layers of the second strand (202), in which the fibers in the second strand obliquity layer (206) are at a second angle with respect to the first direction; and/or wherein the first angle is between 30 and 60 degrees and the second angle is between -30 and -60 degrees; and/or where the first angle is 45 degrees and the second angle is -45 degrees; and/or where the first angle is 30 degrees and the second angle is -60 degrees.

5. The woven structure of claim 2, wherein the at least some first yarns are a laminated structure (200) that has at least three layers that include at least one first yarn bias layer (204, 206 ), each of the at least one first yarn skew layer (204, 206) having fibers at an angle other than 0° or 90° relative to fibers in first yarn layers that are not first yarn skew layers. wires (204, 206); and/or wherein the laminated structure (200) comprises a first layer of first strand of fibers (202) in a third direction; a second layer of first strand of fibers (202) in a fourth direction; and the at least one first skew layer of fiber strands (204, 206) disposed between the first and second first strand layers (202), wherein fibers in a first strand skew layer (204) are in another first angle with respect to the first direction; and/or in which the third and fourth directions are the same; and/or wherein the 3D woven structure is formed into a preform having a cross-sectional shape selected from the group consisting of Pi, H, T, O and I.

6. Woven structure according to claim 1, characterized by the fact that the 3D woven structure is formed in a preform having a cross-sectional shape selected from the group consisting of Pi, H, T, O and I ; and/or wherein at least some of the second strands are braided tow; and/or wherein at least some of the first strands are braided tow; and/or wherein at least some of the second strands are multiaxial tapes; and/or wherein at least some of the first strands are multiaxial tapes.

7. Method for forming a three-dimensional (3D) woven structure as defined in claim 1 characterized by the fact that it comprises: weaving a plurality of first threads in a particular direction with a plurality of second threads in another direction interwoven with the plurality of first threads , wherein the at least some second yarns include at least one bias reinforcing yarn, and wherein the at least some second yarns are a laminated structure (200) that has at least three layers (202, 204, 206) that include at least at least one second yarn bias layer (204, 206), each of the at least one second yarn bias layers (204, 206) having fibers at an angle other than 0° or 90° relative to the fibers in the second layers of yarn that are not second layers of yarn obliquity.

8. Method according to claim 7, characterized in that the laminated structure (200) comprises: a first layer of second strand of fibers (202) in a first direction; a second layer of second strand of fibers (202) in a second direction; the at least one second skew layer of fiber yarns (204, 206) is disposed between the first and second layers of the second yarn (202); and wherein the fibers in a first second yarn obliquity layer (204) are at a first angle with respect to the first direction.

9. Method according to claim 8, characterized by the fact that the first and second directions are the same; and/or wherein the at least some second yarns comprise a first second yarn veil on an outer surface of the first second yarn layer and a second second yarn veil on an outer surface of the second second yarn layer.

10. Method, according to claim 8, characterized by the fact that it comprises: arranging a second layer of obliquity of second strand of fibers (206) between the first and second layers of the second strand (202), in which the fibers in the second strand obliquity layer (206) are at a second angle with respect to the first direction; and/or wherein the first angle is between 30 and 60 degrees and the second angle is between -30 and -60 degrees; and/or where the first angle is 45 degrees and the second angle is -45 degrees; and/or where the first angle is 30 degrees and the second angle is -60 degrees.

11. Method according to claim 8, characterized by the fact that at least some first wires are a laminated structure (200) that has at least three layers that include at least one first wire skew layer (204, 206) , each of the at least one first yarn skew layer (204, 206) having fibers at an angle other than 0° or 90° relative to fibers in first yarn layers that are not first yarn skew layers (204, 206); and/or wherein the laminated structure (200) comprises a first layer of first strand of fibers (202) in a third direction; a second layer of first strand of fibers (202) in a fourth direction; the at least one first skew layer of fiber yarns (204, 206) is disposed between the first and second layers of first yarn (202); and fibers in a first strand obliquity layer (204) are at another first angle with respect to the first direction; and/or in which the third and fourth directions are the same; and/or wherein the method comprises forming the 3D woven structure into a preform having a cross-sectional shape selected from the group consisting of Pi, H, T, O and I.

12. Method according to claim 7, characterized by the fact that it comprises forming the 3D woven structure in a preform having a cross-sectional shape selected from the group consisting of Pi, H, T, O and I; and/or wherein at least some of the second strands are braided tow; and/or wherein at least some of the first strands are braided tow; and/or wherein at least some of the second strands are multiaxial tapes; and/or wherein at least some of the first strands are multiaxial tapes.

13. Method for forming a three-dimensional woven composite characterized by the fact that it comprises: forming a three-dimensional woven structure as defined in claim 8 or 11; and impregnating the three-dimensional woven structure with matrix material.