BR112020000037B1 - Processo e ferramenta de fabricação de uma peça por injeção de resina em uma pré-forma feita de fibras tecidas - Google Patents

Abstract

Processo de fabricação de uma peça por injeção de resina (202) dentro de uma pré- forma (200) feita de fibras tecidas, que compreende as etapas de: c) conformação da pré-forma, d) enformação da pré-forma, e e) injeção de resina dentro da pré-forma e moldagem, a etapa e) sendo realizada por meio de uma ferramenta (100) que compreende um molde (102), um contramolde (106) e meios de injeção de resina, caracterizado pelo fato de que a etapa e) compreende as subetapas de: e1) abertura parcial da ferramenta (100), e2) injeção de resina na ferramenta, e3) fechamento da ferramenta, e e4) colocação sob pressão e aquecimento da pré-forma (200) impregnada entre o molde (102) e o contramolde (106).

Description

DOMÍNIO TÉCNICO

[0001] A presente invenção se refere a um processo e a uma ferramenta de fabricação de uma peça por injeção de resina dentro de uma pré-forma feita de fibras tecidas.

ESTADO DA ARTE

[0002] Uma peça, em especial de turbomáquina, tal como uma pá de ventoinha, pode ser realizada por injeção de uma resina dentro de uma pré-forma feita de fibras tecidas. Esse processo de moldagem chamado de RTM, acrônimo da expressão anglo-saxã Resin Transfer Molding é um processo de fabricação bem conhecido pelo estado da técnica que consiste em colocar uma pré-forma fibrosa que compreende pelo menos uma parede externa de3 tecido seco dentro de uma cavidade estanque de uma ferramenta, e em encher essa cavidade com uma resina de impregnação, geralmente uma resina epóxi.

[0003] A parede externa da pré-forma, ou a pré-forma em sua integralidade, é geralmente realizada por tecedura de fibras compósitas tais como fibras de carbono.

[0004] A figura 1a representa as diferentes etapas de um processo de fabricação de uma peça do tipo precitado de acordo com a técnica atual. O processo compreende essencialmente seis etapas, que são: 1) a realização da pré-forma por tecedura em três dimensões (3D), a pré- forma de fibras que sai de um tear sendo plana e expandida, 2) a colocação nas dimensões da pré-forma, por recorte em especial dos fios flutuantes, 3) a colocação em forma da pré-forma, por posicionamento da pré-forma sobre um suporte de conformação, esse suporte formando uma primeira ferramenta 10, 4) a enformação da pré-forma, por umidificação da pré-forma e enformação dentro de um molde de uma segunda ferramenta 10’, e 5) a moldagem por injeção dentro de um molde de uma terceira ferramenta 10’’.

[0005] Na técnica atual, as etapas 3 a 5 próprias ao processo RTM são, portanto, realizadas por meio de três ferramentas distintas, o que torna complexa e longa a fabricação de uma peça por processo RTM. Uma tal configuração é descrita ou evocada nos documentos US-2015/343.717-A1 e FR-3.002.477-A1.

[0006] A etapa 5 de moldagem é realizada no modo seguinte (cf. figura 1b). A ferramenta de moldagem compreende um molde que define uma primeira impressão e um contramolde que define uma segunda impressão, os molde e contramolde sendo destinados a ser encaixados um no outro para que suas impressões definam a cavidade precitada de recepção da pré-forma e de injeção da resina. A pré-forma é posicionada dentro da impressão do molde (etapa 5a). A ferramenta é fechada com o auxílio de uma prensa tendo em vista a compactação da pré-forma dentro da cavidade (etapa 5b). Canalizações são ligadas à ferramenta e a um êmbolo de injeção da resina (etapa 5c). O vácuo é realizado dentro da cavidade (etapa 5d) e a resina é introduzida no êmbolo e depois injetada pelo êmbolo dentro da cavidade da ferramenta (etapa 5e). A prensa é aquecida e permite manter a pré-forma sob pressão por ocasião da polimerização da resina (etapa 5f). Depois de resfriamento, a ferramenta é aberta, a peça é desmoldada e a ferramenta e os equipamentos podem ser limpos (etapa 6).

[0007] Por outro lado, a técnica atual apresenta numerosos inconvenientes.

[0008] A injeção da resina dentro da cavidade é efetuada com equipamentos exteriores (êmbolo ou tubo de pressão, reaquecedor de resina, canalizações, etc.). Esses são meios complexos visto que é preciso injetar com instruções precisas em pressão, em temperatura e em vazão, etc. Há além disso um risco grande de panes ou de anomalias. O pior dos roteiros é perigoso: se a resina for aquecida durante tempo demais ou forte demais, uma exotermia pode fazer o êmbolo explodir. Para cada injeção, é necessário limpar os equipamentos, essa é uma operação demorada que expõe os operadores a vapores de resina e de acetona. As canalizações são ligadas e desligadas, e depois jogadas fora para cada peça a fabricar. O tempo de instalação do conjunto da ferramenta é longo. A fim de evitar apertos por ocasião do fechamento da ferramenta, são favorecidos caminhos preferenciais por ocasião do enchimento da cavidade, o que torna mais complexas as estratégias de injeção. A perda de matéria acarreta um grande custo suplementar e há uma parte da resina que não é distribuída dentro da peça visto que ela permanece dentro dos equipamentos (dentro do êmbolo, dentro do reaquecedor, dentro das canalizações, etc.). O êmbolo exterior que permite gerar a pressão de injeção tem muita dificuldade de comandar a pressão no interior da cavidade, em especial no momento em que a resina começa a endurecer. No caso em que a resina polimerizasse mais rápido dentro da canalização de ligação do êmbolo com a cavidade, ela poderia formar um tampão no interior da canalização e acarretar uma injeção insuficiente da resina.

[0009] A presente invenção propõe uma solução para pelo menos uma parte dos problemas acima, que é simples, eficaz e econômica.

EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO

[0010] A invenção propõe um processo de fabricação de uma peça por injeção de resina dentro de uma pré-forma feita de fibras tecidas, que compreende as etapas de: c) conformação da pré-forma, d) enformação da pré-forma, e e) injeção de resina dentro da pré-forma e moldagem,

[0011] a etapa e) sendo realizada por meio de uma ferramenta que compreende um molde, um contramolde e meios de injeção de resina, caracterizado pelo fato de que a etapa e) compreende as subetapas de: e1) abertura parcial da ferramenta, afastando o molde do contramolde ou inversamente, e2) injeção de resina na ferramenta, e3) fechamento da ferramenta, aproximando o molde do contramolde ou inversamente, e e4) colocação sob pressão e aquecimento da pré-forma impregnada entre o molde e o contramolde.

[0012] A abertura parcial da ferramenta permite facilitar a injeção e a distribuição da resina entre o molde e o contramolde. Uma quantidade suficiente, e sem excesso, de resina pode assim ser injetada dentro da ferramenta para impregnar a pré-forma e preencher a cavidade definida entre o molde e o contramolde, de acordo com a geometria final da peça.

[0013] Vantajosamente, as ditas etapas c), d) e e) são realizadas por meio da dita ferramenta, que é, portanto, a única ferramenta utilizada no processo. O dito molde define uma impressão configurada para executar a etapa c), e a ferramenta compreende por outro lado meios de aspiração de ar e de injeção de resina.

[0014] A invenção é especialmente vantajosa pois ela permite simplificar o processo de fabricação de uma peça por RTM, limitando para isso o número de ferramentas necessário a uma só. Uma única ferramenta é de fato utilizada para realizar as três etapas precitadas, o que representa um ganho de tempo significativo e uma redução dos riscos de deterioração da peça por ocasião desses deslocamentos de uma ferramenta para uma outra.

[0015] O processo de acordo com a invenção pode compreender uma ou várias das características ou etapas seguintes, tomadas isoladamente umas das outras ou em combinação umas com as outras: - o processo compreende, antes da etapa c), as etapas de: a) realização da pré-forma por tecedura de fibras, e b) colocação nas dimensões da pré-forma, - a etapa c) compreende as subetapas de umidificação da pré-forma e de posicionamento da pré-forma dentro da impressão do molde, - a etapa d) compreende as subetapas de fechamento da ferramenta e de aquecimento e colocação sob vácuo da pré-forma entre o molde e o contramolde, - a subetapa de abertura pelo menos parcial da ferramenta é realizada afastando para isso de uma distância predeterminada o contramolde do molde, o molde e o contramolde permanecendo sensivelmente encaixados um no outro, - a resina é injetada através de uma porta da ferramenta, e o vácuo é realizado por aspiração de ar através de uma outra porta da ferramenta, - as ditas etapas são realizadas por meio de uma única ferramenta.

[0016] A presente invenção se refere ainda a uma ferramenta para a execução do processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que ela compreende: - duas placas aquecedoras respectivamente superior e inferior, a placa aquecedora inferior sendo solidária de um molde que compreende uma impressão de conformação de uma pré-forma e a placa aquecedora superior sendo solidária de um contramolde que compreende uma outra impressão, - meios motorizados de deslocamentos das placas, de preferência em uma direção sensivelmente vertical, a partir de uma posição afastada até uma posição na qual o molde e o contramolde são encaixados um no outro, os meios motorizados sendo próprios para aplicar uma força de compressão às placas tendo em vista a colocação sob pressão da pré- forma entre as impressões.

[0017] Vantajosamente, as duas placas fazem parte de uma prensa da qual a placa inferior forma uma base e a placa superior é montada deslizante na direção sensivelmente vertical sobre colunas de guia.

[0018] A ferramenta pode compreender meios de projeção de laser dos contornos da pré-forma sobre a impressão do molde.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0019] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens da invenção aparecerão com a leitura da descrição seguinte feita a título de exemplo não limitativo em referência aos desenhos anexos, nos quais; - a figura 1a é um esquema em blocos que representa etapas de um processo de acordo com a técnica anterior de fabricação de uma peça feita de material compósito, - a figura 1b é um esquema em blocos que representa etapas de um processo de acordo com a técnica anterior de moldagem de uma peça por injeção de resina dentro de uma pré-forma feita de fibras tecidas, - a figura 2a é um esquema em blocos que representa etapas de um processo de acordo com a invenção de fabricação de uma peça feita de material compósito, - a figura 2b é um esquema em blocos que representa etapas de um processo de acordo com a invenção de moldagem de uma peça por injeção de resina dentro de uma pré-forma feita de fibras tecidas, - a figura 3 é uma vista esquemática de uma ferramenta para a execução dos processos das figuras 2a e 2b, - a figura 4 é uma vista em perspectiva dos molde e contramolde da ferramenta da figura 3, e - as figuras 5 a 7 são outras vistas esquemáticas da ferramenta da figura 3 e ilustram etapas do processo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0020] As figuras 1a e 1b foram descritas no que precede e representam um processo de acordo com a técnica anterior.

[0021] As figuras 2a e 2b ilustram um processo de acordo com a invenção para a realização de uma peça feita de material compósito, essas etapas sendo de preferência realizadas por meio da ferramenta 100 representada nas figuras 3 e seguintes.

[0022] A ferramenta 100 compreende essencialmente um molde 102 solidário de uma placa inferior 104, de preferência aquecedora, e um contramolde 106 solidário de uma placa superior 108, também de preferência aquecedora. Meios de estanqueidade são de preferência previstos entre o molde e o contramolde. No exemplo representado, a placa inferior 104 forma uma base de sustentação da ferramenta, que pode por exemplo repousar sobre o solo de um atelier de fabricação.

[0023] O molde 102 é situado sobre uma face superior da placa 104 e compreende uma impressão 110, melhor visível na figura 4. No exemplo representado, a impressão 110 é aquela de uma face de uma pá de ventoinha, tal como seu extradorso por exemplo. A impressão 110 é aqui orientada para cima e fica em frente a uma impressão 112 do contramolde, também melhor visível na figura 4, o contramolde 106 estando situado acima do molde e em frente a esse último. A impressão 112 é aqui aquela de uma outra face de uma pá de ventoinha, tal como seu intradorso por exemplo.

[0024] A placa 108 é montada deslizante sobre colunas de guia 114, aqui em número de duas, que se estendem entre suas extremidades inferiores ligada à placa 104 e suas extremidades superiores ligadas a uma esteira 116. A placa 108 e o contramolde 106 são deslocados em translação sensivelmente vertical por meio de um macaco 118 ou análogo do qual um cilindro é fixado à esteira 116 e do qual um êmbolo é ligado à placa 108.

[0025] A placa 108 e o contramolde 106 são móveis a partir de uma posição superior, representada na figura 3, na qual a ferramenta está aberta e o molde 102 e o contramolde 106 estão à distância um do outro, e uma posição encaixada ou aproximada na qual a ferramenta está fechada e o molde e o contramolde são introduzidos um no outro, representada na figura 3. Posições intermediárias podem ser consideradas, tais como a posição da figura 6 na qual a ferramenta está aberta e o molde e o contramolde estão parcialmente desencaixados um do outro, o contramolde estando afastado de uma distância predeterminada do molde. A ferramenta 100 é também utilizada para colocar em pressão a pré-forma 200 dentro da cavidade definida pelas impressões 110, 112, por uma força predeterminada aplicada pelo macaco 118 sobre a placa 108 (flecha 120).

[0026] A ferramenta 100 compreende por outro lado meios de aquecimento das placas 104, 108, não representados, assim como meios de colocação sob vácuo e de alimentação da cavidade definida pelas impressões 110, 112.

[0027] Os meios de colocação sob vácuo compreendem uma primeira porta 122 localizada por exemplo dentro do molde e da qual uma extremidade desemboca na impressão 110. A outra extremidade dessa porta 122 é destinada a ser conectada a meios de aspiração tais como uma bomba, não representados.

[0028] Os meios de alimentação compreendem uma segunda porta 124 localizada por exemplo dentro do molde e da qual uma extremidade desemboca na impressão 110. A outra extremidade dessa porta 124 é destinada a ser conectada a meios de injeção de resina, não representados.

[0029] A ferramenta pode por outro lado compreender meios 126 de projeção de laser notadamente do contorno da pré-forma 200 sobre a impressão 110 do molde, a fim de facilitar seu posicionamento no início de processo.

[0030] Agora vão ser descritas as diferentes etapas de um modo de realização do processo de acordo com a invenção, a partir das figuras 2a, 2b, 3, 5 e seguintes.

[0031] Uma primeira etapa a) do processo consiste em realizar uma pré-forma 200 por tecedura em três dimensões por meio de um tear, por exemplo do tipo Jacquard. Na saída do tear, a pré-forma está bruta e tem uma forma geral plana e expandida.

[0032] Uma etapa b) seguinte do processo consiste em colocar nas dimensões a pré-forma 200, por exemplo recortando para isso seus fios flutuantes.

[0033] As etapas a) e b) são similares às etapas 1) e 2) do processo da técnica anterior, descritas no que precede.

[0034] A etapa c), assim como as etapas seguintes diferem das etapas 3) e seguintes da técnica anterior pelo fato de que elas são executadas por meio da ferramenta 100 representada nas figuras 3 e 5 a 7.

[0035] A figura 3 ilustra a etapa c) que consiste em conformar a pré-forma 200. Para isso, a pré-forma é de preferência previamente umidificada para torná-la mais maleável. Ela é colocada dentro da impressão 110 do molde 102 com o auxílio dos meios de projeção de laser 126. Esses meios de projeção permitem por exemplo posicionar corretamente marcadores que seriam integrados à pré-forma 200 em posições predefinidas.

[0036] A figura 5 ilustra a etapa d) que consiste em submeter a pré-forma a uma enformação. Para isso, a ferramenta é fechada e colocada em pressão, por exemplo entre 5 e 10 bars, e depois aquecida, por exemplo a 100°C, com o auxílio das placas 104, 108 aquecedores e do macaco 118. Um vácuo residual é aplicado dentro da cavidade que recebe a pré-forma com o auxílio dos meios de aspiração, o que permite retirar dela a umidade (flecha 128). Por ocasião dessa etapa, a pré-forma é compactada com a geometria final desejada e secada por aquecimento. A pré-forma 200 está então pronta para a injeção.

[0037] As figuras 6 e 7 ilustram a etapa e) que consiste em injetar a resina 202 dentro da cavidade da ferramenta 100. Para isso, a ferramenta é parcialmente aberta (etapa e1), o contramolde estando afastado do molde de uma distância predeterminada, como explicado no que precede. Isso permite a admissão de um volume de resina estritamente necessário para molhar a pré-forma e preencher a geometria final da peça (respeito da taxa de fibras). Durante essa operação de injeção de resina (flecha 130 - etapa e2), o molde e o contramolde são de preferência aquecidos, e a resina também.

[0038] A ferramenta é em seguida fechada (figura 7 - etapa e3) e uma pressão de 3 a 10 bars por exemplo é aplicada pelo macaco à pré-forma 200. A temperatura pode ser mantida a 150°C durante a injeção e elevada a 180°C para a polimerização da resina. Como representado no desenho por meio das flechas, a pressão é de preferência mantida constante em toda a extensão da peça durante a polimerização (etapa e4).

[0039] A resina utilizada é, por exemplo, uma resina epóxi tal como aquela conhecida sob a referência CYCOM PR520®, comercializada pela empresa CYTEC.

[0040] Depois de polimerização, a ferramenta 100 é aberta, a peça 200 é retirada e a ferramenta pode ser limpa tendo em vista uma nova operação de fabricação.

[0041] O êmbolo da técnica anterior, para a injeção de resina dentro da ferramenta, é aqui substituído pelo contramolde superior que aplica uma pressão e permite a impregnação da pré-forma com a resina. A resina permanece assim sob pressão constante e permanente durante sua polimerização, o que permite evitar qualquer porosidade na peça.

[0042] A invenção pode permitir trazer várias vantagens. Uma justa quantidade de resina pode ser utilizada, o que é econômico. Quando são utilizadas canalizações (por exemplo feitas de cobre) com a técnica anterior, o conjunto é jogado fora depois de injeção pois a resina endurece no interior. Com a invenção, as canalizações podem ser suprimidas e mesmo significativamente encurtadas. É obtida uma peça feita de material compósito com as dimensões esperadas (molde contramolde) e com superfícies lisas (aerodinâmicas). Não é utilizado fluido para a colocação sob pressão, tal como agua ou óleo. É possível utilizar resinas ainda mais difíceis de injetar, com viscosidades elevadas. É possível eventualmente ter uma pressão que evolui no decorrer da fase de manutenção da pressão (notadamente no caso da resina PR520® que pode ser compressível ou ter seu volume que diminui quando ela polimeriza).

Claims (11)

1. Processo de fabricação de uma peça por injeção de resina (202) dentro de uma pré-forma (200) feita de fibras tecidas, que compreende as etapas de: c) conformação da pré-forma, d) enformação da pré-forma, e e) injeção de resina dentro da pré-forma e moldagem, a etapa e) sendo realizada por meio de uma ferramenta (100) que compreende um molde (102), um contramolde (106) e meios (124) de injeção de resina, caracterizado pelo fato de que a etapa e) compreende as subetapas de: e1) abertura parcial da ferramenta (100), afastando o molde do contramolde ou inversamente, e2) injeção de resina (202) na ferramenta, e3) fechamento da ferramenta, aproximando o molde do contramolde ou inversamente, e e4) colocação sob pressão e aquecimento da pré-forma (200) impregnada entre o molde (102) e o contramolde (106).

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ditas etapas c), d) e e) são realizadas por meio da dita ferramenta (100), o dito molde definindo uma impressão configurada para executar a etapa c), e a ferramenta compreendendo ainda meios (122) de aspiração de ar e de injeção de resina.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende, antes da etapa c), as etapas de: a) realização da pré-forma (200) por tecedura de fibras, e b) colocação nas dimensões da pré-forma.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a etapa c) compreende as subetapas de umidificação da pré-forma (200) e de posicionamento da pré-forma dentro da impressão (110) do molde (102).

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a etapa d) compreende as subetapas de fechamento da ferramenta (100) e de aquecimento e colocação sob vácuo da pré-forma (200) entre o molde (102) e o contramolde (106).

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a subetapa de abertura parcial da ferramenta (100) é realizada afastando de uma distância predeterminada o contramolde (106) do molde (102), o molde e o contramolde permanecendo sensivelmente encaixados um no outro.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a resina (202) é injetada através de uma porta (124) da ferramenta, e o vácuo é realizado por aspiração de ar através de uma outra porta (122) da ferramenta.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que as ditas etapas são realizadas por meio de uma única ferramenta (100).

9. Ferramenta (100) para a execução do processo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que compreende: - duas placas (104, 108) aquecedoras respectivamente superior e inferior, a placa (104) aquecedora inferior sendo solidária de um molde (102) que compreende uma impressão (110) de conformação de uma pré-forma (200) e a placa (108) aquecedora superior sendo solidária de um contramolde (106) que compreende uma outra impressão (112), - meios (118) motorizados de deslocamentos das placas, de preferência em uma direção sensivelmente vertical, a partir de uma posição afastada até uma posição na qual o molde e o contramolde são encaixados um no outro, os meios motorizados sendo próprios para aplicar uma força (120) de compressão às placas tendo em vista a colocação sob pressão da pré-forma (200) entre as impressões.

10. Ferramenta (100), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que as duas placas (104, 108) fazem parte de uma prensa da qual a placa inferior (104) forma uma base e a placa superior (108) é montada deslizante na direção sensivelmente vertical sobre colunas de guia (114).

11. Ferramenta (100), de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que compreende meios (126) de projeção de laser dos contornos da pré- forma (200) sobre a impressão (110) do molde (102).