BR112020005356B1

BR112020005356B1 - Métodos para fabricar uma manta aquecedora eletrotérmica e um aparelho protegido contra gelo

Info

Publication number: BR112020005356B1
Application number: BR112020005356-2A
Authority: BR
Inventors: Stephen Goodfellow-Jones
Original assignee: Gkn Aerospace Services Limited
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2023-05-16
Also published as: CN111093959A; GB2566550B; CN111093959B; GB201715093D0; CA3075826A1; US20200269526A1; BR112020005356A2; WO2019058109A1; GB2566550A; US11472134B2; EP3684603A1; EP3684603B1; US11845560B2; US20220411077A1

Abstract

Em um método para fabricar uma manta aquecedora eletrotérmica (3), é provida uma pré-forma (7) que compreende uma pilha laminada de camadas dielétricas (51-56) que são feitas de material termoplástico e incluem uma camada ou grupo de camadas central (501) que inclui(em) reforço e primeiro e segundo grupos de camadas externos (502, 503) que não incluem reforço. A pré-forma (7) inclui um elemento de aquecedor e a pré-forma tem uma primeira configuração. A pré-forma (7) é então aquecida a uma temperatura (por exemplo, 180°C) entre a temperatura de transição vítrea do material termoplástico e o ponto de fusão do material termoplástico, e a pré-forma aquecida (7) é formada em uma segunda configuração que é diferente da primeira configuração de maneira a produzir a manta aquecedora (3).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere no geral a uma manta aquecedora eletrotérmica e método de fabricação da mesma. Em particular, mas não exclusivamente, a invenção se refere a uma manta aquecedora eletrotérmica para uso em um sistema de proteção de gelo. As mantas de aquecedor eletrotérmico são adequadas para uma faixa de aplicações onde gelo pode se formar em uma superfície, mas, em particular, elas são adequadas para uso em uma aeronave ou outra estrutura aerodinâmica tal como uma pá de uma turbina eólica para impedir que gelo se forme e/ou para remover gelo que já se formou. Essas duas funções podem ser denominadas antiformação de gelo e descongelamento, respectivamente.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Para uma aeronave, a formação de gelo durante o voo na superfície externa da aeronave é indesejável. O gelo prejudica o fluxo suave de ar sobre a superfície da aeronave, aumentando o arrasto e adicionalmente diminuindo a capacidade de um aerofólio desempenhar sua função visada.

[003] Também, gelo acumulado pode impedir o movimento de uma superfície de controle móvel tal como um aerofólio auxiliar da asa ou flape. Gelo que se acumulou em uma entrada de ar do motor pode ser subitamente desprendido em grandes pedaços que são engolidos pelo motor e causam danos.

[004] Portanto, é comum que aeronave, e particularmente aeronave comercial, incorpore um sistema de proteção de gelo. Uma aeronave comercial pode usar um sistema que envolve sangrar ar quente dos motores, e o ar quente é então canalizado para componentes da armação principal tais como os bordos de ataque da asa e da causa que são propensos à formação de gelo. Mais recentemente, sistemas acionados eletricamente foram propostos, tal como em EP-A-1.757.519 (GKN Aerospace) que descreve um aerofólio auxiliar da asa tendo um revestimento do nariz que incorpora um cobertor ou manta aquecedora eletrotérmica. A manta aquecedora é ligada à superfície traseira de uma blindagem contra erosão metálica que compreende a superfície externa voltada para frente do revestimento do nariz.

[005] A manta aquecedora é do tipo “Spraymat” (marca registrada) e é um produto laminado compreendendo camadas dielétricas feitas de pano de fibra de vidro pré-impregnado e um elemento de aquecedor formado por pulverização por chama de uma camada de metal sobre uma das camadas dielétricas. A “Spraymat” tem uma longa história desde seu desenvolvimento original nos anos 1950 pela D. Napier & Sons Limited (vide sua GB-833.675 relativa a aparelho de descongelamento ou antiformação de gelo elétrico para uma aeronave) pelo seu uso subsequente pela GKN Aerospace.

[006] Uma “Spraymat” produzida nos últimos anos pela GKN Aerospace para uso em um aerofólio auxiliar da asa é formado em uma ferramenta macho e envolve dispor uma pilha de camadas compreendendo (i) cerca de 10 camadas de pano de fibra de vidro pré-impregnado com epóxi que foi curado em uma autoclave, (ii) uma camada de metal condutor (o elemento de aquecedor) que, como já feito em produtos anteriores, foi pulverizado por chama sobre o laminado usando uma máscara para formar o padrão do elemento de aquecedor e (iii) três camadas finais, ou algo parecido, do pano de fibra de vidro. A fiação é soldada no elemento de aquecedor para permitir conexão ao sistema de potência da aeronave. A manta aquecedora é então curada em uma autoclave.

[007] Uma manta aquecedora frequentemente incorpora um plano de terra condutor como um dispositivo de segurança para detectar uma falha com um elemento de aquecedor da manta aquecedora. O plano de terra é conectado a um terra da aeronave bem como a uma unidade de controle.

[008] Uma manta aquecedora é no geral muito confiável. Entretanto, se o elemento de aquecedor na manta aquecedora desenvolver uma falha na forma de queima do aquecedor, haverá fuga de corrente para o terra da aeronave por meio do plano de terra e a unidade de controle pode detectar esta mudança na corrente e adotar ação para impedir dano térmico na estrutura da manta aquecedora.

[009] GKN Aerospace recentemente desenvolveu uma técnica para aplicar o elemento de aquecedor e o plano de terra como uma camada de metal pulverizada por chama (tal como de cobre ou liga de cobre) onde o elemento de aquecedor ou plano de terra é pulverizado (usando uma máscara) sobre uma camada de lâmina dielétrica que é feita de material termoplástico em vez do material de termocura previamente usado (por exemplo, resina de epóxi). Este tipo mais recente de arranjo para o elemento de aquecedor e plano de terra é descrito em GB-A-2.477.336 a GB-A-2.477.340 (todos no nome de GKN Aerospace), cujas descrições estão aqui incorporadas pela referência.

[0010] Laminados termoplásticos reforçados com vidro são amplamente usados nas indústrias aeroespacial e automotiva quando material termoplástico está sendo usado como uma alternativa ao material de epóxi- vidro (termocura).

[0011] Entretanto, os termoplásticos de engenharia normalmente têm maiores pontos de fusão em relação a materiais de epóxi, e as maiores temperaturas de processamento que são envolvidas exigem maior investimento em equipamento de capital, ferramental e consumíveis.

[0012] Por exemplo, termoplástico precisa ser aquecido tipicamente a cerca de 400°C durante fusão de camadas laminadas entre si. Isto significa que a ferramenta na qual a laminação é realizada precisa ser feita de aço em vez do alumínio tipicamente usado para as menores temperaturas de processamento de materiais de termocura.

[0013] Durante produção de uma manta aquecedora que precisa ter um formato ou configuração 3-D (curva), o formato final desejado da manta aquecedora pode ser obtido diretamente realizando a laminação em uma ferramenta de aço tendo o formato 3-D desejado.

[0014] Alternativamente, as camadas da manta aquecedora podem inicialmente ser laminadas juntas enquanto a manta aquecedora tem um formato plano (2-D), em uma mesa plana feita de aço. Pela realização da etapa inicial (primeira) da produção em uma mesa plana, uma alta taxa de produção pode ser alcançada. A manta aquecedora é então formada no formato curvo final (3-D) desejado usando ferramental, por exemplo, por dobramento (por formação) a manta aquecedora 2-D em torno de uma superfície de ferramenta (3-D) devidamente curva de uma ferramenta. A ferramenta para esta segunda etapa é feita de aço em virtude de a pré-forma (a manta aquecedora 2-D) ser reaquecida acima do ponto de fusão do material termoplástico da pré-forma a uma temperatura que pode afetar a têmpera e o formato de uma ferramenta de alumínio. Durante esta segunda etapa (formação), um saco de vácuo tipicamente feito de material de poliimida cobre a pré-forma para assistir na operação de formação que está sendo realizada na manta aquecedora.

[0015] Seria desejável melhorar a produção de uma manta aquecedora feita de compósito termoplástico.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0016] De acordo com um aspecto da presente invenção, é provido um método para fabricar uma manta aquecedora eletrotérmica, compreendendo as etapas de: prover um pré-forma que compreende uma pilha laminada de camadas dielétricas que são feitas de material termoplástico e incluem uma camada ou grupo de camadas central que inclui(em) um material de reforço e primeiro e segundo grupos de camadas externos que não incluem o material de reforço; em que a pré-forma inclui um elemento de aquecedor e a pré-forma tem uma primeira configuração; aquecer a pré-forma a uma temperatura entre a temperatura de transição vítrea do material termoplástico e o ponto de fusão do material termoplástico; e formar a pré-forma aquecida em uma segunda configuração que é diferente da primeira configuração de maneira a produzir a manta aquecedora.

[0017] Em virtude de a formação ser realizar a uma temperatura abaixo do ponto de fusão do material termoplástico, a temperatura associada com a etapa de formação é significativamente menor do que a que foi previamente o caso durante a formação das mantas de aquecedor feitas de compósito termoplástico, e dessa forma o ferramental que é usado não tem que resistir a altas temperaturas anteriores. Portanto, em vez de ter que usar ferramental de aço pesado, é possível usar o ferramental de alumínio padrão tipicamente usado para formar compósitos de epóxi (termocura). Isto pode produzir uma redução de custo significante.

[0018] O reforço é limitado a ser em ou predominantemente na espessura central da pré-forma (efetivamente no eixo geométrico neutro para o dobramento associado com a etapa de formação) e isto permite que a formação ocorra a despeito do fato de que o material de matriz da pré-forma (o termoplástico) está sendo apenas amolecido, e não fundido.

[0019] A matriz de termoplástico passa por uma forma de fluência quando amolecido, e isto permite que a pré-forma de manta aquecedora ser modelada na etapa de formação.

[0020] A menor temperatura associada apenas com o amolecimento do material de matriz termoplástico significa que as características elétricas do elemento de aquecedor são menos prejudicadas pelo aquecimento associado com a operação de formação. Similarmente, se a pré-forma incluir outros componentes funcionais (por exemplo, um plano de terra condutor), eles também experimental reduzido prejuízo pelo aquecimento do que seria o caso com uma maior temperatura associada com a real fusão do material de matriz termoplástico.

[0021] O material termoplástico pode ser PEEK, PEKK, PPS, PEI ou PES ou uma mistura dos mesmos. Mais preferivelmente, o material termoplástico é PEEK, PEKK ou uma mistura dos mesmos.

[0022] Quando a primeira configuração da pré-forma é uma configuração não flexionada (por exemplo, uma configuração plana), a pré- forma na etapa de formação pode ser flexionada na segunda configuração e inicialmente terá uma tendência de querer retornar para a primeira configuração. À medida que a etapa de formação progride, o material termoplástico da pré-forma aquecida se forma por fluência, e o formato permanente (ou consolidado) da pré-forma progride para a segunda configuração.

[0023] Em nossas modalidades preferidas, a primeira configuração é uma configuração substancialmente planar e/ou a segunda configuração é uma configuração curva na qual a manta aquecedora é não planar.

[0024] Na segunda configuração, a manta aquecedora pode ter uma face traseira côncava e uma face dianteira convexa. Isto frequentemente será o caso quando a manta aquecedora tiver que ser usada em um bordo de ataque de aerofólio.

[0025] Em nossas modalidades preferidas, todas as camadas dielétricas da pré-forma são feitas de material termoplástico. O mesmo material termoplástico pode ser usado para cada camada dielétrica da pré- forma.

[0026] Em algumas modalidades, a pré-forma inclui uma ou mais camada(s) de plano de terra condutor e/ou uma camada de sensor de temperatura.

[0027] Em algumas modalidades, o método pode incluir as etapas preliminares de: prover uma pilha contendo uma pluralidade de camadas dielétricas e uma camada de elemento de aquecedor; em que cada camada compreende material termoplástico; e aquecer a pilha a uma temperatura acima do ponto de fusão do material termoplástico e laminar entre si as camadas da pilha de maneira a produzir um produto intermediário (a pré-forma) tendo a primeira configuração.

[0028] Em algumas modalidades, na segunda configuração, a manta aquecedora é no formato geral de U em seção transversal.

[0029] Em algumas modalidades, na etapa de formação, a pré-forma é posicionada em uma ferramenta que tem uma superfície de ferramenta com uma terceira configuração que é mais curva que a segunda configuração e a pré-forma é formada para baixo sobre a superfície de ferramenta; e, após a manta aquecedora ser removida da ferramenta, a manta aquecedora relaxa da terceira configuração para a segunda configuração. O grau de “recuperação pelo efeito mola” da terceira configuração para a segunda configuração dependerá de fatores tais como a duração das operações de aquecimento e formação e da temperatura durante as operações de aquecimento e formação.

[0030] Em algumas modalidades, na etapa de aquecimento, a pré- forma é aquecida e mantida a uma temperatura na faixa de 180°C ±30°C (ou ±20°C, ou ±10°C). Dessa forma, a formação é realizada a uma temperatura que é acima da temperatura de transição vítrea típica de 140 a 150°C dos materiais termoplásticos que são tipicamente usados na produção de mantas de aquecedor.

[0031] Em algumas modalidades, a pré-forma tem uma espessura de 1 mm ou menos. Isto resulta em uma manta aquecedora de espessura similar, e a espessura é menor que a espessura (de 2 a 3 mm) que é típica de mantas de aquecedor de epóxi atuais.

[0032] Em algumas modalidades, na etapa de formação, a pré-forma aquecida é mantida na temperatura por um período de tempo de 15 a 60 minutos (ou de 20 a 40 minutos, ou por cerca de 30 minutos).

[0033] Em algumas modalidades, o reforço é reforço de vidro, por exemplo, tecido de vidro-E.

[0034] Em algumas modalidades, na etapa de formação, a pré-forma aquecida é posicionada em uma ferramenta tendo uma superfície de ferramenta com uma saliência e a pré-forma é formada em torno da saliência. A saliência pode incluir pinos de posicionamento e a pré-forma tem aberturas que são ajustadas nos pinos. As aberturas podem ser posicionadas ao longo de um eixo geométrico longitudinal central da pré-forma. As aberturas e pinos podem servir para obter um posicionamento relativo desejado da pré-forma na ferramenta, e manter esse posicionamento durante as operações de aquecimento e formação.

[0035] Em algumas modalidades, na etapa de formação, a pré-forma aquecida é posicionada em uma ferramenta tendo uma superfície de ferramenta convexa e um saco de vácuo é usado para manter a pré-forma para baixo sobre a superfície de ferramenta convexa.

[0036] Em algumas modalidades, na etapa de formação a pré-forma aquecida é posicionada em uma ferramenta tendo uma superfície de ferramenta convexa; e, após a etapa de formação, a manta aquecedora produzida pela formação da pré-forma é retornada para uma temperatura ambiente antes de a manta aquecedora ser removida da superfície de ferramenta.

[0037] Em algumas modalidades, a segunda configuração é no formato geral de U em uma direção transversal da manta aquecedora e afunila-se e/ou torce em uma direção longitudinal da manta aquecedora.

[0038] Em algumas modalidades, a pré-forma é formada contra uma ferramenta que tem uma superfície de ferramenta que é convexa em uma direção transversal e que fica mais convexa em uma direção longitudinal e/ou torce em uma direção longitudinal.

[0039] A variação na direção longitudinal permite que a manta aquecedora seja produzida com o laminado da manta aquecedora tendo ligeira conformidade a superfícies curvas duplas, tais com as que são encontradas em um bordo de ataque de asa que tem um grau de torção e conicidade ao longo do bordo de ataque.

[0040] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é provido um método para fabricar uma manta aquecedora eletrotérmica, compreendendo as etapas de: dispor uma pilha compreendendo camadas substancialmente planares que incluem uma pluralidade de camadas dielétricas e uma camada de elemento de aquecedor; em que cada camada compreende material termoplástico; aquecer a pilha a uma primeira temperatura e laminar entre si as camadas da pilha de maneira a produzir uma pré-forma; posicionar a pré-forma em uma superfície convexa de uma ferramenta; aquecer a pré-forma a uma segunda temperatura que é menor que a primeira temperatura e é em uma faixa de 180°C ±30°C; e formar a pré- forma em torno da superfície convexa da ferramenta. Recursos do aspecto anterior da presente invenção podem ser aplicados MUTATIS MUTANDIS a este aspecto da presente invenção, e vice-versa.

[0041] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é provido um método para fabricar um aparelho protegido contra gelo, compreendendo as etapas de: realizar um método para fabricar uma manta aquecedora eletrotérmica de acordo com a presente invenção e, nas etapas de aquecimento e formação, posicionar a pré-forma contra um componente compreendendo ‘material de termocura e usar o aquecimento da etapa de aquecimento para ligar a pré-forma ao componente.

[0042] Dessa forma, a manta aquecedora pode ser coligada, por exemplo, a um componente de epóxi (tal como parte de um bordo de ataque de aerofólio) e curado em uma única operação de aquecimento. Em outras palavras, a operação de aquecimento que é usada para amolecer a pré-forma para formar o formato final da manta aquecedora é também usada para curar o componente feito de material de termocura.

[0043] Em algumas modalidades, o componente tem uma superfície que tem a segunda configuração e no qual a pré-forma é ligada. Por exemplo, o componente pode ter uma superfície traseira que é côncava.

[0044] Em algumas modalidades, nas etapas de aquecimento e formação, a pré-forma é posicionada entre uma ferramenta e o componente. Dessa forma, o componente ajuda a manter o formato final (segundo) da manta aquecedora durante a operação de fluência-formação. Isto pode eliminar a necessidade de usar um saco de vácuo, por exemplo, se a pré-forma for completamente coberta pelo componente quando a pré-forma é assentada na ferramenta.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0045] Algumas modalidades da presente invenção serão agora descritas, apenas a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, em que: a Fig. 1 é uma vista plana diagramática de uma aeronave tendo aerofólios auxiliares no bordo de ataque de uma asa.

[0046] A Fig. 2 é uma vista em perspectiva diagramática de um revestimento do nariz de um aerofólio auxiliar da asa da Fig. 1.

[0047] As Figs. 3 a 9 representam de uma maneira diagramática os estágios de um método de fabricação para produzir uma manta aquecedora eletrotérmica, de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção.

[0048] A Fig. 10 mostra uma variação do método de fabricação da primeira modalidade.

[0049] A Fig. 11 mostra uma variação da ferramenta usada na primeira modalidade.

[0050] A Fig. 12 mostra uma variação adicional da ferramenta usada na primeira modalidade.

[0051] Embora a invenção seja suscetível a várias modificações e formas alternativas, algumas modalidades são mostradas a título de exemplo nos desenhos e são aqui descritas em detalhe. Deve-se entender, entretanto, que os desenhos e descrição detalhada dessas modalidades não visam limitar a invenção às formas particulares descritas. Além disso, embora modalidades individuais possam ter sido discutidas, a invenção visa cobrir combinações dessas modalidades. A invenção cobre todas modificações, equivalentes e alternativas que se enquadrem no espírito e no escopo da presente invenção definidos pelas reivindicações anexas.

DESCRIÇÃO DE ALGUMAS MODALIDADES

[0052] A Fig. 1 é uma vista plana de uma aeronave 1 tendo uma asa 11 ao longo do bordo de ataque (dianteiro) da qual estão posicionados cinco aerofólios auxiliares da asa 12. Cada aerofólio auxiliar da asa 12 incorpora um sistema de proteção de gelo eletrotérmico.

[0053] A Fig. 2 é uma vista em perspectiva diagramática de um revestimento do nariz desmontável 13 de um dos aerofólios auxiliares da asa 12 da Fig. 1. A configuração do revestimento do nariz 13 pode ser no geral a mesma que em EP-UM-1,757,519 (GKN Aerospace) que descreve um aerofólio auxiliar da asa tendo uma seção dianteira desmontável compreendendo um revestimento do nariz.

[0054] O revestimento do nariz 13 compreende uma blindagem de erosão 14 e um aquecedor elétrico 2.

[0055] O aquecedor 2 compreende um cobertor ou manta aquecedora 3 e um feixe de fios ou linhas 4 que conectam a manta aquecedora 3 à fonte de alimentação e sistema eletrônico de controle associados.

[0056] A blindagem de erosão 14 é no geral retangular e tem uma superfície dianteira 141 que é curva convexamente e uma superfície traseira 142 que é curva concavamente. Um ápice 1411 da superfície dianteira 141 provê o bordo de ataque da asa de aeronave 11.

[0057] A manta aquecedora 3 é no geral retangular e tem uma superfície dianteira 31 que é curva convexamente e uma superfície traseira 32 que é curva concavamente. A superfície dianteira convexa 31 se conforma ao formato e é ligada à superfície traseira 142 da blindagem de erosão 14. Desta maneira, energia térmica gerada à medida que manta aquecedora 3 é operada passa, por condução, para a blindagem de erosão 14 a fim de prover uma função de proteção de gelo. A blindagem de erosão 14 é metálica e pode ser feita de alumínio ou titânio. Uma função da blindagem de erosão 14 é proteger a aeronave contra descargas elétricas pela absorção e dissipação da corrente do raio.

[0058] A superfície traseira côncava 32 da manta aquecedora 3 pode ser afixada a uma estrutura de suporte do aerofólio auxiliar da asa 12.

[0059] Um método de fabricação para produzir uma manta aquecedora eletrotérmica, de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção, será agora descrito com referência às Figs. 3-9, que representam, de uma maneira diagramática, os estágios do método.

[0060] A Fig. 3 é uma representação diagramática de uma pilha 500 de camadas dielétricas 51-56 em um primeiro estágio de uma modalidade de um método de fabricação da presente invenção.

[0061] A representação das camadas dielétricas 51-56 é bastante diagramática. Por exemplo, em relação a cada camada dielétrica, a espessura foi exagerada por questão de clareza. Também, a largura e o comprimento da camada foram reduzidas por questão de clareza. Em uma modalidade prática, a camada dielétrica seria no geral retangular e seria uma folha tendo uma largura variando tipicamente de 0,25m a 0,6m e um comprimento variando tipicamente de 1m a 4m. Em um exemplo, em uso, a largura da folha pode envolver a corda do bordo de ataque da asa, e o comprimento da folha pode se estender ao longo da longarina da asa. A folha dielétrica (a camada dielétrica) também tipicamente teria uma espessura de 0,05mm a 0,25mm.

[0062] As camadas dielétricas 51-56 são feitas de um termoplástico de engenharia de alta temperatura (para as camadas 51, 52, 55 e 56) ou de um material de reforço (tais como fibras de vidro) que é impregnado com o termoplástico de engenharia de alta temperatura (para as camadas 53 e 54).

[0063] Da classe de termoplásticos de engenharia de alta temperatura, usamos atualmente: PEEK (polieter eter cetona), PEKK (polietercetonacetona), PPS (poli(sulfeto de fenileno)), PEI (polieterimida) ou PES (polietersulfona) ou misturas dos mesmos. Esses materiais foram selecionados com base na exigência de uma temperatura de transição vítrea adequada e desempenho de fadiga térmica adequada. PEEK e PEKK são particularmente preferidos em virtude de PEEK ter desempenho mecânico necessário e ser particularmente receptivo a um revestimento metálico pulverizado por chama, e PEKK tem propriedades similares, mas é mais fácil de ligar ao material metálico.

[0064] As camadas dielétricas central ou de núcleo 53, 54 que ficarão dispostas no eixo geométrico neutro NA durante a operação de formação (vide Fig. 7) são reforçadas, e elas constituem um grupo central 501 das camadas.

[0065] As camadas dielétricas 51, 52 que são posicionadas para fora (acima) do grupo central 501 não são reforçadas, e as camadas 51, 52 constituem um grupo superior (externo) 502 das camadas.

[0066] As camadas dielétricas 55, 56 que são posicionadas para fora (abaixo) do grupo central 501 não são reforçadas, e as camadas 55, 56 constituem um grupo inferior (externo) 503 das camadas.

[0067] A Fig. 3 mostra apenas seis camadas dielétricas, mas camadas dielétricas adicionais podem ser incluídas. O grupo central 501 é mostrado compreendendo duas camadas reforçadas, mas camadas reforçadas adicionais podem ser incluídas no grupo, ou o grupo poderia ser reduzido a uma única camada.

[0068] O reforço é preferivelmente tecido de vidro-E (vidro grau elétrico). Por exemplo, tecido de vidro-E plano 48gsm pode ser usado, com um revestimento compatível com materiais termoplásticos e temperaturas de processamento (o revestimento promove adesão entre o reforço e a matriz, melhorando as propriedades mecânicas).

[0069] Um elemento de aquecedor foi pulverizado por chama na camada dielétrica 53, e um sensor de temperatura foi pulverizado por chama na camada dielétrica 54. Um plano de terra condutor foi pulverizado por chama na camada dielétrica 55. Esta pulverização por chama pode ser feita da maneira descrita em GB-A-2.477.336 a GB-A-2.477.340 (todos no nome da GKN Aerospace).

[0070] A pilha 500 pode ser disposta em um padrão inferior plano, prato de pressão inferior 61 (vide Fig. 4). No estágio seguinte do processo de fabricação, um prato de pressão superior 62 é posto em contato com o topo da pilha. Os pratos de pressão 61, 62 são aquecidos, e calor e pressão são aplicados pelos pratos de pressão 61, 62 na pilha 500 de forma que as camadas dielétricas sejam laminadas entre si. A temperatura aplicada à pilha 500 é tipicamente em torno de 400°C, que é acima do ponto de fusão do material termoplástico das camadas dielétricas 51-56. O resultado (mostrado na Fig. 5.) é uma pré-forma laminada 7 que é um produto intermediário no processo de fabricação.

[0071] Na pré-forma 7, as camadas 51-56 foram combinadas ou fundidas umas nas outras de maneira que a pré-forma 7 pode ser considerada monolítica de um ponto de vista estrutural. Isto é assistido quando o material termoplástico das camadas 51-56 é PEEK ou PEKK, em virtude de esses materiais serem particularmente bons para assegurar que as camadas fundirão ou ligarão umas nas outras para tornar estruturalmente monolíticas e não delaminadas.

[0072] Os pratos de pressão 61, 62 são feitos de aço e são portanto adequados à temperatura de laminação de cerca de 400°C.

[0073] Como pode ser visto na Fig. 5, a pré-forma 7 neste estágio do processo de fabricação é um laminado plano (2-D). A pré-forma 7 tipicamente tem uma espessura de 1mm ou menos.

[0074] O estágio seguinte do processo é mostrado na Fig. 6, que é uma vista em perspectiva diagramática da pré-forma 7 quando posicionada em uma ferramenta de formação 8 tendo uma superfície de ferramenta externa 81 que é convexa (no formato geral de U) em seção transversal na direção transversal 82. A ferramenta 8 é provida com pinos de posicionamento 83 espaçados na direção longitudinal 84 ao longo da saliência ou ápice 85 da ferramenta 8.

[0075] A ferramenta 8 é diagramaticamente desenhada e, na prática, incluímos uma armação de reforço na superfície externa de ferramenta 81. A ferramenta 8 será submetida a temperaturas da ordem de 180°C ±30°C e pode portanto ser feita de alumínio, ou pelo menos a superfície da ferramenta 81 que suporta diretamente a pré-forma 7 pode ser feita de alumínio.

[0076] O propósito da ferramenta 8 é mudar a configuração da pré- forma 7 da primeira configuração (a configuração planar ou plana (2-D)) da Fig. 5 para uma segunda configuração ou final desejada ou mostrada em linha cheia na Fig. 9 na qual a pré-forma formada 7 é agora uma manta aquecedora modelada 3 que tem uma configuração não planar ou curva (3-D).

[0077] Quando a pré-forma 7 é formada na superfície de ferramenta 81 da ferramenta 8, a pré-forma 7 inicialmente adotará o formato da superfície de ferramenta 81 e, quando a pré-forma 7 (a manta aquecedora 3) é removida da ferramenta 8, ela recuperação pelo efeito mola ou expandirá para fora até um certo ponto, com a quantidade de recuperação pelo efeito mola sendo dependente de fatores tais como a duração e temperatura da operação de formação.

[0078] O formato inicialmente adotado pela pré-forma 7 é mostrado em linha tracejada na Fig. 9 e é rotulado 71. Este formato pode ser considerado como sendo uma configuração intermediária (terceira) adotada pela pré-forma/manta aquecedora, antes de relaxar até a configuração final (segunda) mostrada em linha cheia.

[0079] Os pinos de posicionamento 83 se estendem ao interior das aberturas de formato complementar na pré-forma 7 a fim de fixar o posicionamento relativo da pré-forma 7 na ferramenta 8. As aberturas na pré- forma 7 são localizadas ao longo de um eixo geométrico central longitudinal da pré-forma 7 que é alinhado com a direção da saliência longitudinal 84. Dessa forma, uma primeira metade 72 da pré-forma 7 será formada em uma parte do lado esquerdo 86 da superfície de ferramenta externa 81, e uma segunda metade 73 da pré-forma 7 será formada em uma parte do lado direito 87 da superfície de ferramenta externa 81.

[0080] O estágio seguinte do processo de fabricação é mostrado nas Figs. 7 e 8 que são vistas de extremidade diagramáticas da pré-forma 7 e da ferramenta 8.

[0081] Uma autoclave ou similares é usada para aquecer a pré-forma 7 e a ferramenta 8 a uma temperatura de cerca de 180°C por um período de cerca de 30 minutos. A pré-forma 7 é coberta com um saco de vácuo 9 e ar é removido do espaço 91 coberto pelo saco de vácuo 9. A temperatura de 180°C é acima do ponto de transição vítreo de 140°C do material termoplástico das camadas dielétricas 51-56, e dessa forma a pré-forma 7 passa por um tipo de deformação por fluência e é formada na superfície de ferramenta externa 81. Na transição da Fig. 7 para a Fig. 8, a pré-forma 7 muda da primeira configuração 2-D (planar) para uma configuração 3-D não planar que é a configuração intermediária 71.

[0082] Em geral, qualquer forma de aplicação de calor e conformidade de formato pode ser usada. Por exemplo, um forno com um saco de vácuo pode ser usado, ou uma prensa aquecida com pares apropriados de ferramental de formato correspondente pode ser usada.

[0083] Em virtude de o reforço na pré-forma 7 ser concentrado no eixo geométrico neutro NA (onde as camadas dielétricas 53, 54 no geral no eixo geométrico neutro não são nem estiradas nem comprimidas à medida que a formação ocorre), a operação de formação pode ser feita a temperatura relativamente baixa que é usada (a temperatura típica de 180°C ±30°C, ou ±20°C, ou ±10°C) e dessa forma, por sua vez, a ferramenta 8 não tem que suportar as maiores temperaturas (por exemplo, pelo menos 340°C) que foram previamente tipicamente usadas durante a formação de um termoplástico laminado 2-D em um formato 3-D. Dessa forma, a superfície de ferramenta 81 e grande parte da ferramenta 8 podem ser feitas de alumínio, em vez de aço.

[0084] A ausência de reforço nas camadas dielétricas externas 51, 52, 55, 56 ajuda a reduzir a fragilidade e prover estabilidade durante o processo de formação.

[0085] Após 30 minutos ou parecido, a pré-forma 71 pode ser retornada para a temperatura ambiente, e o saco de vácuo 9 pode ser removido. A pré-forma 71 passa por uma certa recuperação pelo efeito mola e termina em sua configuração final (segunda) mostrada em linha cheia na Fig. 9 como a manta aquecedora 3.

[0086] Em outras palavras, durante a operação de formação, a pré- forma 7 é “sobreposta” (ou dada mais curvatura em seção transversal do que é finalmente desejado), e após a operação de formação, a pré-forma 7 recupera pelo efeito mola para o formato final (ligeiramente menos curvo).

[0087] Um benefício importante da temperatura relativamente baixa usada na operação de formação (em que o material de matriz termoplástico é apenas amolecido, e não é fundido) é que os componentes elétricos funcionais da pré-forma/manta aquecedora (tais como o elemento de aquecedor, o sensor de temperatura e o plano de terra condutor) não são prejudicados pelo aquecimento associado com a operação de formação.

[0088] Conduzimos experimentos para caracterizar a mudança nas características elétricas dos componentes funcionais da manta aquecedora em decorrência do aquecimento aplicado à pré-forma/manta aquecedora na operação de formação, e os experimentos confirmaram que existe apenas uma mínima mudança de resistência reprodutível.

[0089] Esses experimentos forma feitos formando elementos de aquecimento em torno do raio de uma curvatura, de maneira tal que a borda comprida do elemento de aquecimento passe por máxima deformação geométrica. Experimentos separados foram conduzidos para estabelecer o efeito de variação tanto da largura quanto da espessura de elementos de aquecimento (Tabela 1 e Tabela 2). Todos os experimentos demonstraram uma mudança na resistência elétrica de não mais que 2% em decorrência da formação. Isto é considerado um resultado pequeno e reprodutível no contexto mais amplo de um processo de fabricação de manta aquecedora.

[0090] Nos experimentos, a resistência elétrica do elemento de aquecimento foi medida pré e pós formação com um medido de uma precisão adequada ao teste.

Tabela 1 - Mudança de Resistência de Várias Espessuras de Elemento de Aquecimento em Decorrência da Formação

Tabela 2 - Mudança de Resistência de Várias Larguras de Elemento de Aquecimento em Decorrência da Formação

[0091] Uma variação do processo de fabricação é mostrada na Fig. 10. O saco de vácuo 9 não é usado nesta variação. Em vez disso, um componente 15 feito de material de termocura é colocado por cima da pré- forma 7. O componente 15 já tem a segunda configuração. O componente 15 tem uma superfície externa convexa (dianteira) 151 e uma superfície interna côncava (traseira) 152. A superfície interna côncava 152 é colocada por cima da superfície 74 da pré-forma 7 e prensa a pré-forma contra a ferramenta 8. A temperatura da operação de formação (a temperatura de 180°C ±30°C, ou ±20°C, ou ±10°C) serve para formar por fluência a pré-forma 7 e também curar o material de termocura do componente 15 e ligar a pré-forma 7 ao componente 15.

[0092] A Fig. 11 mostra uma ferramenta 8A que é uma variação da ferramenta 8 da Fig. 6. A ferramenta 8A varia afunilando na direção longitudinal 84 ficando mais curva (mais convexa) na direção longitudinal. Como pode-se ver na Fig. 11, a dimensão X1 é maior que a dimensão X2.

[0093] A Fig. 12 mostra uma ferramenta 8B que é uma outra variação da ferramenta 8 da Fig. 6. Comparada com a ferramenta 8, a ferramenta 8B torce na direção longitudinal 84 da ferramenta 8. A ferramenta 8B é mostrada torcendo para a direita como visto na Fig. 12. Também, com a ferramenta 8B, a saliência 85 não é nivelada (como com a ferramenta 8) e, em vez disso, a saliência reduz de altura na dimensão X3.

[0094] As variações de formato concebidas nas ferramentas 8A, 8B são visualmente exageradas nas Figs. 11 e 12, mas as variações podem ser usadas na prática para conferir um certo ligeiro grau de conicidade, torção e curvatura complexa à pré-forma 7 à medida que ela é formada na configuração final (segunda) desejada para a manta aquecedora 3.

Claims

1. Método para fabricar uma manta aquecedora eletrotérmica (3), compreendendo as etapas de: prover uma pré-forma (7) que compreende uma pilha laminada (500) de camadas dielétricas (51-56) que são feitas de material termoplástico e incluem uma camada ou grupo de camadas central (501) que inclui(em) reforço e primeiro e segundo grupos de camadas externos (502, 503) que não incluem reforço; em que a pré-forma (7) inclui um elemento de aquecedor e a pré-forma (7) tem uma primeira configuração; aquecer a pré-forma (7) a uma temperatura entre a temperatura de transição vítrea do material termoplástico e o ponto de fusão do material termoplástico; e formar a pré-forma (7) aquecida em uma segunda configuração que é diferente da primeira configuração para produzir a manta aquecedora (3); caracterizado pelo fato de que, na etapa de formação, a pré- forma (7) é posicionada em uma ferramenta (8) que tem uma superfície de ferramenta (81) com uma terceira configuração que é mais curvada do que a segunda configuração, e a pré-forma (7) é formada para baixo na superfície de ferramenta (81); e em que, depois que a manta aquecedora (3) tiver sido formada na ferramenta (8), a manta aquecedora (3) relaxa da terceira configuração (71) para a segunda configuração.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira configuração é uma configuração planar.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a segunda configuração é uma configuração curvada na qual a manta aquecedora (3) é não planar.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que, na segunda configuração, a manta aquecedora (3) está no formato geral de U em seção transversal.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que, na etapa de aquecimento, a pré-forma (7) é aquecida até e mantida a uma temperatura na faixa de 180°C ± 30°C.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que, na etapa de formação, a pré-forma (7) aquecida é mantida à temperatura por um período de tempo de 15 a 60 minutos.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o reforço é tecido de vidro-E.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que, na etapa de formação, a pré-forma (7) aquecida é posicionada em uma saliência (85) da superfície de ferramenta (81) , e a pré-forma é formada em torno da saliência (85).

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a saliência (85) inclui pinos de posicionamento (83), e a pré-forma (7) tem aberturas que são encaixadas nos pinos (83).

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que, na etapa de formação, a pré-forma (7) aquecida é posicionada em uma superfície de ferramenta convexa (81) da ferramenta (8), e um saco de vácuo (9) é utilizado para manter a pré-forma (7) para baixo na superfície de ferramenta convexa (81).

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que: na etapa de formação, a pré-forma (7) aquecida é posicionada em uma superfície de ferramenta convexa (81) da ferramenta (8); e após a etapa de formação, a manta aquecedora (3) produzida pela formação da pré-forma (7) é retornada a uma temperatura ambiente antes de a manta aquecedora (3) ser removida da superfície de ferramenta (81).

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a segunda configuração está no formato geral de U em uma direção transversal da manta aquecedora (3) e se afunila e/ou torce em uma direção longitudinal da manta aquecedora (3).

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a superfície de ferramenta (81) da ferramenta (8A, 8B) é convexa em uma direção transversal e fica mais convexa em uma direção longitudinal e/ou torce em uma direção longitudinal.

14. Método para fabricar um aparelho protegido contra gelo, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: realizar o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13 e, nas etapas de aquecimento e formação, posicionar a pré-forma (7) contra um componente (15) compreendendo material de termocura e usar o aquecimento da etapa de aquecimento para ligar a pré- forma ao componente.

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o componente (15) tem uma superfície que tem a segunda configuração e à qual a pré-forma (7) é ligada.