BR112020001581A2 - método para fabricar uma peça compósita tridimensional com matriz termoplástica e de reforço contínuo - Google Patents

Abstract

A invenção refere-se a um método para fazer uma peça compósita tridimensional com uma matriz termoplástica e de reforço contínuo caracterizado por compreender as etapas de: a. obter uma pré-forma fibrosa pré-impregnada (100), por tricotagem tridimensional; b. colocar a pré-forma no perfurador (120) ou na matriz (110) de um conjunto de ferramentas, definindo entre eles uma cavidade fechada e selada; c. fechar o conjunto de ferramentas de modo a aplicar uma primeira pressão à pré-forma; d. levar a cavidade à temperatura de fusão do polímero que impregna a pré-forma mantendo a primeira pressão; f. resfriar a cavidade compreendendo a pré-forma a uma temperatura adequada para desmoldagem mantendo a segunda pressão; g. abrir o molde e desmoldar a peça.

Description

“MÉTODO PARA FABRICAR UMA PEÇA COMPÓSITA TRIDIMENSIONAL COM MATRIZ TERMOPLÁSTICA E DE REFORÇO CONTÍNUO”

[001] A invenção refere-se a um método e a um dispositivo para fabricar uma peça compósita com uma forma complexa. A invenção é mais particularmente destinada à fabricação de uma peça compósita tridimensional tal como uma caixa ou um domo, ou que compreende uma pluralidade de relevos salientes. A invenção também se aplica à fabricação de peças tubulares, compreendendo em particular a junção de vários tubos, como coletores de exaustão. A invenção aplica-se a muitos campos, em particular, mas não exclusivamente, a fabricação de bagagem ou de coberturas para hardware eletrônico, tais como tablets ou telas de televisão, a fabricação de capacetes ou equipamento de proteção, de modo mais geral a peças compósitas tridimensionais produzidas em massa e, mais particularmente, mas não exclusivamente, quando essas formas tridimensionais não podem ser desenvolvidas.

[002] O estado da técnica nestes campos é ilustrado, por exemplo, pelo documento EP 2 694 277. Este documento descreve a fabricação de um invólucro retangular com arestas viradas para fora, tendo o formato de uma caixa com 5 faces, começando a partir de um espaço em branco plano, compreendendo um assentamento de uma pilha de tecidos pré-impregnados com um polímero termoplástico. Os referidos tecidos são formados e compactados/ consolidados em uma peça compósita reforçada com fibras contínuas, por uma unidade de perfurador e matriz (punch-die), enquanto um suporte de molde faz com que seja possível manter as fibras sob tensão durante a conformação do assentamento para a forma desejada. Esta técnica é satisfatória, mas impõem corte substancial da peça após a formação e consolidação, e não torna possível produzir estampagem por embutimento. Os encaixes de canto que conectam as junções tridimensionais entre as faces da caixa são áreas que são particularmente estressadas, em que o espremer do polímero é suscetível de ocorrer, permitindo que as fibras apareçam, as quais não são revestidas, desagradáveis à vista, e mesmo rugas ou rasgos.

[003] A invenção tem como objetivo superar as desvantagens do estado da técnica e, para esse fim, refere-se a um método para fabricar uma peça compósita tridimensional com uma matriz termoplástica e de reforço contínuo compreendendo as etapas de: a. obter uma pré-forma fibrosa pré-impregnada do polímero termoplástico formando a matriz correspondente à forma da peça final, por tricotagem tridimensional; b. colocar a pré-forma entre o perfurador e a matriz emparelhada com um conjunto de ferramentas, definindo entre eles uma cavidade fechada e selada; c. fechar o conjunto de ferramentas de modo a aplicar uma primeira pressão à pré-forma; d. levar a cavidade à temperatura de fusão do polímero que impregna a pré-forma mantendo uma primeira pressão; e. resfriar a cavidade compreendendo a pré-forma a uma temperatura adequada para desmoldagem mantendo uma segunda pressão; f. abrir o molde e desmoldar a peça.

[004] Assim, o método de tricotagem permite obter uma pré-forma de forma tridimensional, correspondendo substancialmente à forma da peça final, completa, sem dobras de montagem e sem conformação por deformação.

O uso de uma cavidade fechada associada ao ciclo pressão-temperatura possibilita a obtenção direta de uma peça com dimensões acabadas, com bordas limpas que não necessitam qualquer corte. A profundidade da estampagem não é limitada devido à ausência de conformação. Como a pré-forma é pré- impregnada com um polímero termoplástico, ela pode ser armazenada sem limite de duração e ser feita em um local distante do local de transformação. O método é, portanto, particularmente adequado para a produção industrial em massa adequada para os campos visados pela invenção.

[005] O termo “pré-impregnado”, no contexto da invenção e aplicado à pré-forma obtida pelo método objeto da invenção, designa uma pré- forma de aparência seca e flexível, compreendendo o polímero que forma a matriz da futura peça compósita. Os meios para integrar o polímero a uma pré- forma tricotada que satisfaz essas características são descritos em formas de realização particulares da invenção. A impregnação estritamente falando ocorre por meio de percolação entre as fibras do polímero levadas a fusão durante as etapas d) e e) do processo objeto da invenção.

[006] A invenção é implementada vantajosamente de acordo com as formas de realização e alternativas descritas a seguir, que devem ser consideradas individualmente ou de acordo com qualquer combinação tecnicamente permitida.

[007] De acordo com uma forma de realização, o método da invenção compreende, antes da etapa d) uma etapa que consiste em uma evacuação da cavidade de moldagem delimitada pelo perfurador e pela matriz e contendo a pré-forma. Assim, o vácuo na dita cavidade e a aplicação da primeira pressão tornam possível garantir a desgaseificação da pré-forma e uma boa impregnação da última, durante a fusão do polímero de impregnação.

[008] De um modo vantajoso, o método da invenção compreende entre as etapas d) e f) uma etapa de: g. manter a temperatura durante um período adequado para a impregnação da pré-forma pelo polímero.

[009] Este tempo de manutenção, que depende da viscosidade do polímero e o teor de fibras, faz com que seja possível assegurar uma impregnação uniforme da pré-forma.

[0010] Vantajosamente, uma segunda pressão é aplicada na pré- forma durante a etapa g). Assim, a aplicação da segunda pressão, quando o polímero que forma a matriz já está fluidizado, faz com que seja possível efetuar a compactação. Manter essa pressão durante o resfriamento torna possível calibrar a espessura e o formato da peça.

[0011] De um modo vantajoso, a pré-forma tricotada é obtida usando um fio que consiste em filamentos da fibra de reforço misturada com filamentos feitos do polímero de impregnação. Esta forma de realização fornece uma impregnação uniforme da pré-forma durante as etapas d) e e).

[0012] Do mesmo modo, a pré-forma tricotada é obtida usando um fio que consiste em fibra de reforço revestida com o polímero de impregnação.

[0013] De acordo com uma outra forma de realização alternativa, a pré-forma é tricotada utilizando um fio feito de fibra de reforço e um fio feito de polímero de impregnação.

[0014] De acordo com um caso particular desta última alternativa, a fibra de reforço é um polímero, em que a temperatura de fusão da qual é maior do que a temperatura de fusão do polímero de impregnação.

[0015] De acordo com uma forma de realização alternativa, a pré- forma é tricotada usando a técnica de tricotagem de tecelagem com os dedos.

Essa alternativa utiliza a técnica de tricotagem mais difundida e versátil em termos de formas que podem ser produzidas; no entanto, em muitos casos, o acabamento ou o fechamento da pré-forma tridimensional requer a execução de uma costura.

[0016] Para esta finalidade, de acordo com implementações alternativas desta forma de realização, o método objeto da presente invenção compreende antes da etapa b) uma etapa de costura para fechar o contorno da pré-forma. Esta forma de realização faz com que seja possível preparar pré- formas com contorno fechado pronta para ser utilizada, mesmo se a técnica de tricotagem não faz com que seja possível obter esta característica diretamente durante a tricotagem.

[0017] Alternativamente, o método compreende entre as etapas b) e c) uma etapa de: h. fechar o contorno da pré-forma com uma solda.

[0018] Esta forma de realização tira proveito da constituição da pré- forma que integra o polímero de impregnação. Esta solda é realizada antes da etapa b) ou, quando a pré-forma é colocada sobre o perfurador ou a base, isto serve para assegurar um posicionamento preciso da referida solda.

[0019] De acordo com outra forma de realização alternativa, a pré- forma é tricotada usando a técnica de malha transferida. Essa técnica produz, de acordo com as alternativas, tecido de malha jersey simples ou dupla e possibilita a produção de uma pré-forma tridimensional em uma única peça sem costura ou junta, ao preço de um tricotagem mais complexa.

[0020] De acordo com uma forma de realização vantajosa do método da invenção, a primeira e a segunda pressões são aplicadas na pré- forma variando entre dois valores da folga entre o perfurador e a base, na cavidade fechada. Esta forma de realização fornece um controle mais preciso da espessura e, portanto, da calibração da pré-forma.

[0021] A invenção também se refere a um conjunto de ferramentas para a execução do método objeto da invenção, o referido conjunto de ferramentas compreendendo: x. um perfurador feito de um material eletricamente condutor; y. uma matriz emparelhada com o perfurador, de modo a formar uma cavidade entre as superfícies de moldagem do perfurador e da base, e feita de um material eletricamente condutor; z. um circuito de indução para aquecer as superfícies de moldagem do perfurador ou da base;

u. um gerador de corrente de alta frequência para alimentar o circuito de indução.

[0022] O uso da indução como um modo de aquecimento autônomo da ferramenta permite reduzir os tempos de ciclo e a produção de peças produzidas em massa.

[0023] De acordo com uma forma de realização, a cavidade delimitada entre o perfurador e a matriz compreende uma conicidade que alarga em direção à matriz da punção. Assim, a pressão sobre a pré-forma é controlada pelo deslocamento relativo da matriz e do perfurador, que de acordo com a conicidade ao longo das bordas voltadas para fora, faz com que seja possível controlar o valor da folga na cavidade fechada em todas as faces da pré-forma.

[0024] Vantajosamente, o perfurador e/ ou a matriz compreendem um circuito de resfriamento para a circulação de um fluido. Esse arranjo reduz o tempo de ciclo para a produção de uma peça, acelerando a etapa f) do método.

[0025] De um modo vantajoso, as superfícies de moldagem do perfurador e da matriz que delimitam a cavidade são feitas de um material ferromagnético do ponto de Curie o qual é igual à temperatura de fusão do polímero impregnando a pré-forma. Esta forma de realização simplifica o controle da temperatura no interior da cavidade, em particular, a fim de prevenir queimaduras quando as fibras de reforço da pré-forma são submetidas a este fenômeno.

[0026] De acordo com uma forma de realização do conjunto de ferramentas para a implementação do método objeto da invenção, este último compreende uma matriz feita de um material termicamente condutor e um indutor que se estende dentro de uma cavidade feita na referida matriz em que o volume da cavidade de moldagem é variável independentemente da união do perfurador e da matriz. Esta forma de realização é apropriada para a aplicação de uma pré-forma que compreende fibras que são eletricamente condutoras ou não. A variação no volume da cavidade de moldagem permite garantir a compactação e a calibração em espessura da peça acabada.

[0027] De acordo com uma forma de realização alternativa do conjunto de ferramentas objeto da invenção, o perfurador compreende uma bexiga inflável. Esta alternativa torna possível fornecer uma pressão uniforme sobre toda a superfície da pré-forma, em particular durante as etapas e) e f) do método.

[0028] De acordo com uma outra forma de realização alternativa do conjunto de ferramentas, o perfurador compreende uma porção móvel acionada pela junção da matriz e do perfurador. Esta alternativa torna possível controlar a folga, por conseguinte, a espessura da peça acabada na cavidade de moldagem.

[0029] De acordo com outra alternativa, a superfície externa do perfurador compreende uma lona flexível selada em que é aplicada uma pressão gasosa entre o perfurador e a lona para executar as etapas c) a f) do método da invenção.

[0030] Vantajosamente, a lona compreende em sua face em contato com a pré-forma, uma carga de um material que é sensível ao aquecimento por indução. Assim, a lona participa do aquecimento uniforme da pré-forma.

[0031] A invenção é descrita a seguir de acordo com as suas formas de realização preferidas, que são de modo algum limitativas, e em referência às Figuras 1 a 4, em que: - a Figura 1 mostra uma forma de realização exemplar de um conjunto de ferramentas de acordo com uma vista em seção transversal, mostrada na posição aberta, para a implementação da invenção; - a Figura 2 mostra dois exemplos de pré-formas tricotadas na forma de meia concha, compreendendo áreas de conexão tridimensionais; - a Figura 3 mostra, de acordo com uma vista em seção transversal e em posição aberta, outra forma de realização de um conjunto de ferramentas para a implementação do método objeto da invenção; - a Figura 4 mostra um diagrama de blocos do método da invenção; - e a Figura 5 mostra, de acordo com uma vista em perspectiva, uma forma de realização de uma pré-forma tricotada com um contorno fechado compreendendo 5 faces e áreas de conexão tridimensionais entre as faces.

[0032] As técnicas de tricotagem são conhecidas no estado da técnica e possibilitam a fabricação de um tecido de forma tridimensional, pela montagem de uma pluralidade de fios entrelaçados de acordo com laços ou malhas. De acordo com o modo de tricotagem utilizados, pré-formas complexas são feitas em uma única operação de tricotagem. De acordo com outras técnicas de tricotagem, o contorno da peça não pode ser fechado e requer, neste caso, uma etapa de fechamento por uma costura ou, mais vantajosamente, pela soldagem, conforme divulgado adiante.

[0033] A Figura 5 mostra um exemplo de uma pré-forma tridimensional (500) compreendendo 5 faces e 4 áreas de conexão tridimensionais (501) entre as faces, essas áreas de conexão são comumente designadas pelo termo “encaixe de canto”. Para ver corretamente a forma tridimensional da pré-forma tricotada (500), a última é mostrada aqui colocada em um suporte, o referido suporte é, por exemplo, o perfurador de um conjunto de ferramentas. A técnica de tricotagem utilizada nesta forma de realização permite uma continuidade das fibras ao longo de toda a superfície da pré-forma, o contorno está fechado. Os filamentos são contínuos, inclusive nas áreas de conexão tridimensionais (501), que são áreas que não podem ser desenvolvidas, isto é, não podem ser colocadas planas, enquanto mantêm o comprimento dos filamentos. Como mostra a Figura, a técnica de tricotagem permite obter uma pré-forma que já está na forma final da peça ou que possui uma forma muito próxima da última.

[0034] A etapa de tricotagem do método da invenção é vantajosamente, mas não exclusivamente, implementado por meio de uma máquina de tricotar de trama simples que oferece a maior versatilidade em termos de formas que podem ser feitas com um contorno fechado. As formas que podem ser feitas incluem formas de caixa que compreendem encaixes de canto, formas substancialmente com a forma de um domo ou tampa, como um capacete, formas tubulares que compreendem junções de tubos ou mesmo uma combinação dessas diferentes formas, opcionalmente compreendendo recessos.

[0035] De acordo com o estado da técnica, a tricotagem tridimensional é utilizada para a produção de pré-formas fibrosas secas, depois, subsequentemente, impregnadas com uma resina termoendurecível por meio de um método que implementa uma transferência de resina líquida em um molde, tal como o método RTM (Moldagem por Transferência de Resina).

[0036] Este método não é, no entanto, adequado para a produção em massa.

[0037] O método da invenção implementa uma pré-forma fibrosa de malha, que compreende em si o polímero que formará a matriz da peça compósita.

[0038] Para esta finalidade, a etapa de tricotagem do método da invenção implementa fibras de reforço tal como fibras de vidro, carbono, aramida, de metal, polímeros, ou fibras naturais tais como fibras de linho, coco, sisal, juta, ou bambu, onde aplicável dimensionadas e fiadas de antemão, ou uma combinação destas fibras, combinadas com o polímero termoplástico que constitui a matriz da futura peça compósita.

[0039] A título de exemplos, o referido polímero é introduzido misturado com a fibra de reforço, por exemplo sob a forma de filamentos da referida fibra, fiada com fios do referido polímero e opcionalmente torcidas, ou na forma de fibras de reforço revestidas com o referido polímero, ou por meio de fios de tricotagem do referido polímero com os fios feitos do fibra de reforço.

[0040] Independentemente do modo de produção, a ausência de pegajosidade do polímero termoplástico permite a sua implementação em conjunto com as fibras de reforço durante a etapa de tricotagem.

[0041] A título de exemplos não limitativos, o referido polímero termoplástico é um poliétercetona (PEK), poliéter étercetona (PEEK), poliéterimida (PEI), um poliéster termoplástico, um sulfureto de polifenileno (PPS), poliamida (por exemplo PA6 ou PA6-6), uma acrilonitrila butadieno estireno (ABS).

[0042] De acordo com outros exemplos, o referido polímero é escolhido a partir dos polímeros tais como: - poliamidas (PA), em particular PA11; - polietileno de fonte biológica (PET); - ácido polilático (PLA); - ou poliésteres de fontes biológicas.

[0043] A combinação do modo de obter a pré-forma, que entrelaça as fibras e permite uma continuidade do entrelaçamento ao longo de toda a forma, e de um polímero termoplástico, torna possível produzir peças leves que são particularmente resistentes a impactos, e de acordo com a escolha do polímero, resistente à temperatura e chama. Assim, o método da invenção é particularmente adequado para a produção de peças submetidas a este tipo de estresse, tais como elementos de bagagem, equipamentos protetores pessoais, tais como capacetes, arneses, escudos, cotoveleiras ou joelheiras, escudos de proteção ou elementos blindados leves.

[0044] A Figura 1, de acordo com uma forma de realização do método da invenção, adequado para a implementação de uma pré-forma na qual as fibras de reforço não são eletricamente condutoras, a pré-forma (100), tricotada de antemão e compreendendo as fibras de reforço e o polímero termoplástico de impregnação da peça final, é colocada sobre a porção que forma o perfurador do conjunto de ferramentas.

[0045] A Figura 2, de acordo com uma forma de realização não limitativa, a pré-forma (100a) está na forma de uma concha, compreendendo zonas de conexão tridimensionais, chamadas “encaixes de canto”. A título de um exemplo para fins de ilustração, é uma meia-concha de uma mala. De acordo com uma forma de realização, o referida pré-forma (100a) compreende um recesso (201) que é realizado diretamente durante o tricotagem da referida pré- forma. Em comparação com as técnicas do estado da técnica para a implementação de materiais compósitos termoplásticos, tais como consolidação por estampagem em forma, a técnica de obter a pré-forma por tricotagem faz com que seja possível reter nas zonas de conexão, em particular os encaixes de canto, uma proporção de fibra de reforço para polímero que é comparável à proporção de reforço no restante da peça, enquanto ainda impede a formação de rugas nessas mesmas áreas.

[0046] Voltando à Figura 1, embora a técnica de tricotagem permita a produção de tal pré-forma de acordo com um contorno fechado, então, como o conjunto de ferramentas está em configuração aberta, a referida pré-forma (100) é simplesmente rosqueada no perfurador (110) cobrindo o referido perfurador com a referida pré-forma (100), depois de ter, se necessário, pulverizado um agente de desmoldagem sobre o referido perfurador. Uma tal operação pode ser facilmente realizada manualmente ou por meio de um manipulador ou um robô. A implementação do conjunto de ferramentas de auto- aquecimento, como mostrado seguir, permite que o perfurador esteja à temperatura ambiente durante esta etapa.

[0047] Na Figura 2, de acordo com outra forma de realização, a técnica de tricotagem usada, não permite fechar o contorno da pré-forma (100b) e a referida pré-forma compreende uma descontinuidade de contorno, delimitada por duas arestas abertas (211, 212).

[0048] Voltando à Figura 1, se a técnica de tricotagem não torna possível obter uma pré-forma tricotada com um contorno fechado, em seguida, a pré-forma sendo colocada sobre o perfurador (110), o posicionamento da referida pré-forma na ferramenta é estabilizado realizando pelo menos 2 pontos de solda unindo as bordas abertas da descontinuidade de contorno. A presença do polímero na pré-forma tricotada torna possível a realização dessa solda. A referida solda é realizada, por exemplo, por meio de um ferro de solda; de forma alternativa, é realizada na forma de pontos ou uma linha de solda, por outros meios conhecidos do estado da técnica, como a laser ou por ultrassom.

[0049] De acordo com esta forma de realização do conjunto de ferramentas, o perfurador compreende vantajosamente meios para posicionar as arestas abertas da pré-forma uma em relação à outra, por exemplo, na forma de pinos ou ganchos introduzidos nas malhas. Assim, a pré-forma está perfeitamente posicionada na ferramenta.

[0050] O conjunto de ferramentas consiste em pelo menos duas porções (110, 120) que podem ser separadas em uma configuração aberta e uma configuração fechada, definindo um perfurador (110) e uma matriz (120). O perfurador e a matriz são emparelhados de modo a delimitarem entre si, em suas superfícies de moldagem e durante o fechamento do conjunto de ferramentas, uma folga (e), exagerada na Figura, correspondente à espessura final da peça produzida. Assim, o espaço entre o perfurador e a matriz define uma cavidade de moldagem em que a pré-forma (100) está localizada.

[0051] De acordo com uma forma de realização, os meios (160) fazem com que seja possível para aspirar o gás na cavidade de moldagem que compreende a pré-forma (100) uma vez que o conjunto de ferramentas é fechado.

[0052] De acordo com uma forma de realização, o perfurador e a matriz são feitas de um material ferromagnético e são cobertos em suas faces externas, exceto para as superfícies de moldagem, com uma camada contínua (111, 121) de um material eletricamente condutor e não ferromagnético, como cobre. Durante o fechamento do conjunto de ferramentas, as porções do conjunto de ferramentas que compreendem o perfurador e a matriz são separadas umas das outras por uma camada de um material eletricamente isolante (130). Essa camada de material isolante também fornece a vedação da cavidade formada entre o perfurador e a matriz durante o fechamento do conjunto de ferramentas.

[0053] A unidade de perfurador-matriz é inserida dentro de um circuito de indução que compreende duas meias-bobinas (141, 142) uma (141) das quais sendo integral com o perfurador e a outra (142) com a matriz. O fechamento do conjunto de ferramentas tem por efeito conectar eletricamente as duas meias-bobinas. A bobina assim formada, ao redor do conjunto de ferramentas, é conectada a um gerador de corrente de alta frequência (não mostrado), de modo que a fonte de alimentação para a referida bobina provoque a circulação de correntes induzidas, sobre as superfícies do conjunto de ferramentas. As correntes induzidas circulam com uma espessura reduzida de material na superfície do conjunto de ferramentas. Portanto, as referidas correntes induzidas circulam nas camadas de revestimento (121, 111) e, devido ao corte realizado pela camada isolante (130) entre as duas porções da ferramenta, nas superfícies de moldagem da cavidade definida entre o perfurador e a matriz.

[0054] As referidas superfícies de moldagem feitas de um material ferromagnético aumenta rapidamente em temperatura devido à circulação destas correntes de alta frequência induzidas, e transmite o seu calor para a pré- forma (100).

[0055] Sob o efeito da temperatura, o polímero contido na pré- forma tricotada é trazido para a sua temperatura de fusão, e, a pré-forma estando confinada em uma cavidade fechada e selada, o referido polímero uniformemente impregna a pré-forma.

[0056] A pressão de fechamento aplicada no molde, bem como na folga(e) entre o perfurador e a matriz, calibra a espessura da peça final. A utilização de aquecimento por indução, na configuração do molde de acordo com esta forma de realização, torna possível concentrar o aquecimento nas superfícies de moldagem da cavidade, sem a necessidade de aquecer toda a massa do conjunto de ferramentas.

[0057] As referidas superfícies de moldagem aumentam rapidamente em temperatura, a referida temperatura é controlada, por exemplo, por seleção do material ferromagnético que faz com que o molde de acordo com a sua temperatura de Curie.

[0058] Vantajosamente, o perfurador (110) e/ ou a matriz (120) do conjunto de ferramentas incluem canais (151, 152) para a circulação de um fluido de transferência de calor, por exemplo água, permitindo um resfriamento rápido das superfícies de moldagem.

[0059] A cavidade de moldagem e a pré-forma (100) sendo levada uma temperatura pelo menos igual à temperatura de fusão do polímero incluído no referida pré-forma, a referida temperatura é mantida durante um tempo adequado entre alguns segundos e 1 minuto, a fim de assegurar uma impregnação uniforme da pré-forma pelo polímero.

[0060] O referido tempo de manutenção é de acordo com o teor de reforço fibroso e a viscosidade do polímero fundido na manutenção da temperatura. Quanto mais viscoso o polímero e maior o teor de fibra, maior o tempo de manutenção. O tempo de manutenção é facilmente determinado através de ensaios.

[0061] Após o tempo de manutenção adequado, a fonte de alimentação elétrica da bobina (141, 142) está parada, e a cavidade de moldagem é resfriada pela circulação de um fluido de transferência de calor nos canais de resfriamento (151, 152) do conjunto de ferramentas.

[0062] Durante as etapas de aquecimento, manutenção e resfriamento, a pressão de fechamento do conjunto de ferramentas é mantida.

[0063] De acordo com uma forma de realização alternativa, uma segunda pressão, maior que a primeira pressão, é aplicada na pré-forma no final do aquecimento e durante a etapa de manutenção. Esta segunda pressão é aplicada, por exemplo, deslocamento relativamente o perfurador em relação à base. De acordo com uma forma de realização, o perfurador e a matriz tem uma ligeira conicidade, alargando no sentido da base do perfurador de forma que este deslocamento relativo aplica a referida pressão, pela redução da folga (e), sobre toda a superfícies da pré-forma.

[0064] Quando o resfriamento da cavidade de moldagem por meio da circulação do fluido de transferência de calor reduz a temperatura deste para uma temperatura menor que a temperatura de transição vítrea do polímero, ou mais geralmente para uma temperatura em que a rigidez do polímero é suficiente para manipular a peça assim produzida sem deformá-la, o molde é aberto e a peça é desmoldada.

[0065] Em seguida, o ciclo é retomado com uma nova pré-forma.

O tempo de fabricação da peça entre duas aberturas do molde está de acordo com a dimensão da peça, a natureza do polímero e o teor de fibra, mas está geralmente entre 1 e 5 minutos, substancialmente de acordo com o tempo para manter a temperatura.

[0066] O uso do aquecimento por indução torna possível garantir que uma temperatura de aquecimento suficiente seja atingida durante cada ciclo, a fim de proporcionar uma impregnação uniforme da peça. A velocidade de aquecimento, cerca de 2 °C.s-1, autorizada por este método de aquecimento, também permite a implementação de fibras naturais, que são sensíveis à queima, sem risco de degradação das referidas fibras.

[0067] As etapas de implementação descritas acima aplicam-se da mesma forma por, inicialmente, posicionar a pré-forma na matriz em vez de sobre o perfurador e estão também adaptadas a implementar uma pré-forma tricotada cuja forma é diferente daquela de uma meia-caixa.

[0068] Na Figura 3, de acordo com outra forma de realização do método da invenção, adequado para qualquer tipo de fibra incluindo fibras eletricamente condutoras, o conjunto de ferramentas compreende, pelo menos, duas porções, sob a forma de um perfurador (310) e de uma matriz (320) De acordo com esta forma de realização, a matriz (320) é feita de um material metálico que conduz bem o calor, como uma liga de alumínio ou cobre, sem que esses exemplos sejam limitativos.

[0069] A matriz (320) compreende um conjunto de dutos (340) em que os indutores (341) se estendem. Os referidos indutores têm a forma de tubos de cobre ou de cabos Litz. De acordo com uma forma de realização, o interior dos referidos dutos compreende um revestimento (342) formado partir de um material ferromagnético sobre uma espessura entre 0,2 mm e 2 mm. Portanto, quando o indutor (341) é alimentado com corrente de alta frequência, as correntes induzidas circulam no revestimento ferromagnético (342), causando o aquecimento do último.

[0070] O calor é transmitido para a matriz e se propaga através da condução para a superfície do molde, que aumenta de temperatura.

[0071] Vantajosamente, os referidos dutos (340), compreendendo os indutores (341) estão localizados a uma distância d da cavidade da matriz, de forma a assegurar uma temperatura uniforme sobre as superfícies de moldagem da referida matriz.

[0072] Alternativamente, a matriz é feita de um material ferromagnético, por exemplo um aço, em tal caso, o revestimento dos dutos (340), compreendendo os indutores (341) não é necessário.

[0073] Vantajosamente, a matriz compreende canais (360) para a circulação de um fluido de transferência de calor para fins de seu resfriamento.

[0074] O molde é mostrado aqui na posição aberta. Unindo o perfurador (310) e a matriz (320), bem como os meios de vedação (312), torna possível definir uma cavidade vedada em que a pré-forma tricotada (100) está incluída.

[0075] De acordo com esta forma de realização, o perfurador compreende uma bexiga (350) e meios (351) para inflar a referida bexiga. A bexiga (350) é feita de um elastômero que resiste à temperatura de fusão do polímero incluído na pré-forma.

[0076] A título de exemplo, a referida bexiga é formada a partir de silicone carregado com carbono. Esta forma de realização torna possível compactar todas as faces da pré-forma, inflando a referida bexiga, mesmo se a cavidade da matriz não apresentar nenhuma conicidade alargando em direção à base do perfurador, e mesmo se apresentar uma conicidade inversa, por exemplo, quando o método da invenção é usado para a fabricação de um capacete. Neste caso, a matriz compreende, pelo menos, duas porções que podem ser separadas, a fim de permitir a desmoldagem da peça final.

[0077] Esta forma de realização, em que o perfurador compreende uma bexiga (350), também pode ser usada na forma de realização do conjunto de ferramentas mostrado na Figura 1. Nesse caso, a face da bexiga entrando em contato com a pré-forma (100) durante a fabricação da peça compreende um revestimento eletricamente condutor eletricamente conectado ao restante do perfurador, a fim de garantir a circulação das correntes induzidas, esse revestimento também pode ser ferromagnético.

[0078] De acordo com um exemplo da utilização do conjunto de ferramentas de acordo com esta forma de realização, a pré-forma tricotada (100) é inserido na cavidade da matriz (320). O perfurador é aproximado da matriz, criando uma cavidade selada na qual a pré-forma é incluída. A bexiga (350) é inflada na primeira pressão para garantir o contato com a pré-forma. Os indutores (341) são alimentados com corrente de alta frequência, que tem como efeito aquecer a cavidade da moldagem e trazer o polímero incluído na pré-forma tricotada à temperatura de fusão.

[0079] A pressão de enchimento da bexiga (350) é aumentada de modo a proporcionar a compactação da pré-forma. A temperatura é mantida na cavidade de moldagem de modo a proporcionar uma impregnação uniforme da pré-forma, com este tempo de impregnação sendo uma função do teor de fibra e da viscosidade do polímero.

[0080] Então, a alimentação dos indutores é parada e o fluido de transferência de calor é enviado para os canais de resfriamento (360) de modo a resfriar o molde e a peça assim produzidos, a uma temperatura adequada para a desmoldagem dos mesmos.

[0081] No caso em que o conjunto de ferramentas mostrado na Figura 1 compreende uma bexiga inflável que inclui um revestimento condutor como o descrito acima, se esta bexiga está conectada à matriz ou ao perfurador, a sequência de operações como a descrita acima é a mesma.

[0082] Tal como acontece com o exemplo na Figura 1, outras formas de realização são possíveis, em que o perfurador não compreende uma bexiga e em que os meios para aquecimento e resfriamento são incluídos no perfurador ou mesmo no perfurador e no molde, com a pré-forma sendo disposta sobre o perfurar, em vez de na matriz.

[0083] Assim, a combinação do uso de um molde com aquecimento autônomo por indução, de acordo com qualquer forma de realização mostrada acima ou uma combinação dessas formas de realização, com uma pré-forma tricotada compreendendo o polímero de impregnação da mesma, torna possível a produção em massa de peças com uma forma complexa compreendendo um alto teor de fibra, com tempos de execução reduzidos e em uma única operação de consolidação.

[0084] O método objeto da invenção é particularmente adequado para a produção de peças compósitas destinadas a mercados de alto consumo.

[0085] A associação de um alto teor de fibra, de um polímero termoplástico que constitui a matriz e do modo de organização da fibras no compósito, faz com que essas peças sejam particularmente resistentes a impactos e faz com que seja possível manter um teor de fibra substancial em zonas que, de acordo com os métodos do estado da técnica, têm um teor reduzido de fibras, em particular os encaixes de canto no exemplo mostrado.

[0086] No entanto estas áreas, em particular as áreas de conexão tridimensionais ou encaixes de canto, são as áreas que são particularmente estressadas nos produtos visados pela invenção, em particular em termos de impacto, tal como em uma concha de mala.

[0087] Na Figura 4, de acordo com uma primeira etapa (410) do método da invenção, a pré-forma é tricotada de modo a corresponder ao formato da peça final. A referida pré-forma compreende o polímero de impregnação termoplástico da peça final, seja na forma misturada nos fios tricotados, ou na forma de um revestimento nos fios tricotados, ou pela tricotagem de fios de reforço e de fios feitos do polímero de impregnação.

[0088] O referido polímero é estável, de tal maneira que a referida pré-forma pode ser armazenada sem um limite em termos de tempo ou produzida em um local distante do local de transformação.

[0089] De acordo com uma etapa de carregamento (420), a pré- forma assim obtida é assentada sobre ou no conjunto de ferramentas de acordo com qualquer forma de realização da mesma, com o molde estando aberto.

[0090] De acordo com uma forma de realização específica, correspondendo ao caso em que a técnica de tricotagem não permite obter uma pré-forma com um contorno fechado, uma etapa (425) de soldagem é realizada diretamente no conjunto de ferramentas, de modo a fechar o contorno da peça da pré-forma.

[0091] De acordo com uma etapa (430) de impregnação/ consolidação, o molde está fechado, assim, aplicar uma primeira pressão sobre a pré-forma e na cavidade de moldagem delimitada entre o perfurador e a matriz é levada a uma maior temperatura do que ou igual à temperatura de fusão do polímero de impregnação.

[0092] De acordo com uma forma de realização particular, o método da invenção compreende uma etapa (427) de evacuação da cavidade que compreende a pré-forma depois do fechamento do molde.

[0093] De acordo com uma etapa de manutenção (440) a cavidade de moldagem e a pré-forma são mantidas à temperatura alcançada durante a etapa anterior (430), mantendo a pressão de contato entre as superfícies de moldagem do perfurador e da matriz com a pré-forma.

[0094] De acordo com uma forma de realização alternativa, a etapa de manutenção (440) compreende uma etapa de compactação (445) de aumentar a pressão na pré-forma, aproximando-se do perfurador e da matriz ou aplicando uma pressão de inflação adicional nos meios expansíveis (bexiga) da matriz ou do perfurador.

[0095] De acordo com uma etapa de resfriamento (450) a cavidade de moldagem e a pré-forma são resfriadas pela circulação de um fluido de transferência de calor no molde, enquanto continua a manter a pressão sobre a pré-forma.

[0096] O resfriamento (450) é continuado até que a temperatura na cavidade de moldagem seja menor ou igual à temperatura de transição vítrea do polímero de impregnação.

[0097] De acordo com uma etapa de desmoldagem (460), o molde é aberto e a peça é desmoldada. O ciclo recomeça em seguida na etapa de carregamento (420) com uma nova pré-forma.

Claims (13)

REIVINDICAÇÕES

1. MÉTODO PARA FABRICAR UMA PEÇA COMPÓSITA

TRIDIMENSIONAL COM MATRIZ TERMOPLÁSTICA E DE REFORÇO CONTÍNUO, caracterizado por compreender as etapas de: a. obter (410) pré-forma fibrosa pré-impregnada (100, 500) do polímero que forma a matriz correspondente à forma da peça final, por tricotagem tridimensional; b. colocar (420) a pré-forma entre o perfurador emparelhado (120, 320) e a matriz (110, 310) de um conjunto de ferramentas, definindo entre eles uma cavidade fechada e selada; c. fechar o conjunto de ferramentas de modo a aplicar uma primeira pressão à pré-forma; d. levar (430) a cavidade à temperatura de fusão do polímero que impregna a pré-forma mantendo a primeira pressão; e. resfriar (450) a cavidade que compreende a pré-forma a uma temperatura adequada para desmoldagem enquanto mantém uma segunda pressão; f. abrir o molde e desmoldar (460) a peça.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa c) compreender uma evacuação (427) da cavidade.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender entre etapas d) e f) uma etapa de: g. manter (440) a temperatura durante um período adequado para a impregnação da pré-forma pelo polímero.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por uma segunda pressão ser aplicada (445) sobre a pré-forma durante a etapa g).

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela pré-forma tricotada ser obtida usando um fio feito de filamentos da fibra de reforço misturada com filamentos feitos do polímero de impregnação.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela pré-forma tricotada ser obtida a partir de um fio revestido com o polímero de impregnação.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela pré-forma ser obtida por meio de fios de tricotagem feitos da fibra de reforço e de fios feitos do polímero de impregnação.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela fibra de reforço ser um polímero cuja temperatura de fusão dele é maior do que a temperatura de fusão do polímero de impregnação.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela pré-forma ser tricotada utilizando a técnica de tricotagem de tecelagem com os dedos.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender, antes da etapa b) uma etapa de costura para fechar o contorno da pré-forma.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender entre a etapa b) e a etapa c), uma etapa de: h. fechar o contorno da pré-forma (425) com uma solda.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela pré-forma ser tricotada, utilizando a técnica de malha transferida.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelas primeira e a segunda pressões serem aplicadas sobre a pré-forma, variando entre dois valores da folga entre o perfurador e a matriz na cavidade fechada.