BR112020022321A2

BR112020022321A2 - aeroestrutura compósita, laminado compósito para uso em uma aeroestrutura, e, métodos para formar uma caixa de asa compósita e para formar um laminado compósito.

Info

Publication number: BR112020022321A2
Application number: BR112020022321-2A
Authority: BR
Inventors: Mark A. Calder; John F. Ellis; William David Dennison; Martin A. Wimmer; Earl L. Stone Iii
Original assignee: Triumph Aerostructures, Llc.
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2021-02-23
Also published as: KR20220013954A; KR102500752B1; KR20230028573A; JP7268112B2; JP2022025099A; BR122023020216A2; US20200001569A1; EP3787965A1; JP2023103253A; WO2019213529A1; US20190337261A1; US20230166478A1; US11440288B2; KR20210028151A; EP3787965B1; KR102356284B1; US10449749B1; JP2021517096A; JP6986194B2; EP3787965A4

Abstract

Uma estrutura de caixa de asa compósita formada de termoplástico reforçado. O compósito inclui reforço de fibra de carbono e uma pluralidade de elementos de isolamento para localizar o calor formado durante o processo de fabricação da estrutura. O processo de fabricação da caixa de asa inclui as etapas de entrelaçar uma série de elementos de isolamento em uma pluralidade de lâminas e consolidar os elementos de isolamento e as lâminas para formar um laminado. O laminado é então alinhado com uma estrutura de suporte de maneira tal que os elementos de isolamento se sobreponham à estrutura de suporte. O laminado é então fundido na estrutura de suporte usando um processo de aquecimento sem contato, tal como soldagem por indução.

Description

1 / 27 AEROESTRUTURA COMPÓSITA, LAMINADO COMPÓSITO PARA USO EM UMA AEROESTRUTURA, E, MÉTODOS PARA FORMAR

UMA CAIXA DE ASA COMPÓSITA E PARA FORMAR UM

LAMINADO COMPÓSITO Reivindicação de Prioridade

[001] A presente reivindica prioridade para o Pedido de Patente Provisório U.S. No. 62/666.193 depositado em 3 de maio de 2018. A revelação na íntegra do pedido apresentado está por meio disso incorporado aqui por referência. Campo da invenção

[002] A presente invenção se refere ao campo de materiais compósitos. Em particular, o presente pedido se refere a estruturas formadas de múltiplos componentes formados de materiais compósitos. A presente invenção encontra aplicação particular no campo de aeroestruturas formadas de múltiplos elementos compósitos. Fundamentos

[003] Materiais compósitos têm sido usados em uma ampla variedade de aplicações nas quais o benefício de materiais de alta resistência e baixo peso supera o custo dos materiais. Por exemplo, historicamente, aeroestruturas eram formadas de metais leves, tais como alumínio e, mais recentemente, titânio. Entretanto, uma porção substancial de aeronave moderna é formada de materiais compósitos. Um material normalmente usado na indústria aeroespacial é plástico de termocura reforçado com fibra de carbono. Estruturas complexas podem ser formadas de tais materiais e, uma vez que as estruturas curam, o formato fica permanente. Entretanto, essa vantagem limita a capacidade de fundir a estrutura formada com uma estrutura separada. Em vez disso, os elementos separados são conectados usando conectores separados, tais como prendedores. Embora elementos estruturais formados de material termoplástico reforçado possam ser

2 / 27 conectados sem prendedores separados, o processo de fusão dos elementos exige aquecer os componentes acima de uma temperatura que pode causar dano à estrutura. Dessa forma, existe uma necessidade de um processo eficiente para conectar componentes compósitos estruturais sem causar dano aos componentes. Sumário da Invenção

[004] Em vista do exposto, de acordo com um aspecto, a presente invenção provê uma estrutura de laminado que é configurada para localizar o calor produzido durante um processo de soldagem por indução. Em particular, o laminado é configurado para localizar o calor em uma área particular de uma lona particular (ou lonas) de um laminado compósito termoplástico reforçado com fibra de carbono multicamadas. De acordo com um aspecto, o calor é localizado em uma área particular de uma lona particular pela incorporação de múltiplas camadas de elementos isolantes arranjados em um padrão e embutidos nas camadas do laminado. Opcionalmente, o laminado pode ser incorporado em uma aeroestrutura, tal como uma caixa de asa.

[005] De acordo com um outro aspecto, a presente invenção provê uma aeroestrutura compósita tendo uma pluralidade de longarinas longitudinalmente alongadas e nervuras interconectadas para formar uma grade, em que cada uma das longarinas e nervuras compreende um elemento superior tendo uma camada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida formando uma zona de solda. Um revestimento compósito é conectado à grade de longarinas e nervuras. O laminado inclui pelo menos cinco lonas de material termoplástico reforçado com fibra de carbono. Na primeira lona as fibras de carbono são orientadas em uma primeira direção. Na segunda lona as fibras de carbono são orientadas na primeira direção e a primeira lona sobrepõe e é diretamente conectada à segunda lona. A terceira lona tem tem fibras de carbono orientadas em uma segunda direção transversal à primeira direção e a quarta

3 / 27 lona tem fibras de carbono orientadas na segunda direção e a terceira lona sobrepõe e é diretamente conectada à quarta lona. A quinta lona tem fibras de carbono orientadas transversalmente às fibras de carbono nos elementos superiores das longarinas e das nervuras. O laminado também inclui uma pluralidade de elementos isolantes alongados formados de material eletricamente isolante. Os elementos isolantes têm cada qual um comprimento e uma largura e pelo menos uma pluralidade dos elementos isolantes tem um comprimento que é substancialmente maior que a largura. Os elementos isolantes formam uma grade configurada de forma substancialmente similar à grade formada pelas nervuras e longarinas de forma que os elementos isolantes se sobreponham aos elementos superiores das longarinas e nervuras. A grade de elementos isolantes é disposta entre a segunda camada e a terceira camada. Opcionalmente, cada elemento isolante compreende fibras de vidro embutidas em uma matriz de material termoplástico. Adicionalmente, os elementos isolantes podem compreender uma pluralidade de isoladores de longarina alongados sobrepondo as longarinas e uma pluralidade de isoladores de nervura alongados sobrepondo as nervuras que são menores que os isoladores de longarina. Os isoladores de nervura podem se estender entre os isoladores de longarina sem se sobreporem substancialmente aos isoladores de longarina. Adicionalmente, os isoladores de longarina podem opcionalmente ser espaçados uns dos outros.

[006] Opcionalmente, o revestimento compósito pode incluir camadas adicionais de material termoplástico reforçado com fibra de carbono e a grade de elementos isolantes pode formar uma primeira grade e a pluralidade de elementos isolantes forma uma segunda grade configurada de forma substancialmente similar à primeira grade de elementos isolantes. A segunda grade pode ser disposta entre as camadas adicionais de material termoplástico reforçado com carbono de forma que a segunda grade fique alinhada com a primeira grade.

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[007] Adicionalmente, a aeroestrutura pode incluir um segundo revestimento compósito conectado à grade de nervuras e longarinas. Cada longarina e nervura pode incluir um elemento inferior tendo uma camada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida formando uma zona de solda inferior e o segundo revestimento pode ser conectado aos elementos inferiores das nervuras e longarinas.

[008] De acordo com um aspecto adicional, a presente invenção provê uma aeroestrutura na qual uma pluralidade de elementos isolantes forma uma grade e os elementos isolantes podem ser arranjados para formar uma pluralidade de aberturas.

[009] De acordo com um outro aspecto, a presente invenção provê uma aeroestrutura formada de termoplástico compreendendo um termoplástico semicristalino na família de poliariletercetona.

[0010] De acordo com um outro aspecto, a presente invenção provê uma aeroestrutura formada de termoplástico tendo uma temperatura de fusão acima de 260 graus Celsius (500 graus Fahrenheit).

[0011] De acordo com um aspecto adicional, uma aeroestrutura é provida na qual um laminado inclui elementos isolantes e camadas estruturais e os elementos isolantes são configurados de maneira tal que o termoplástico das lonas estruturais é mantido abaixo de uma temperatura de fusão quando a camada inferior é aquecida a uma temperatura acima da temperatura de fusão por uma cabeça de solda por indução.

[0012] De acordo com ainda um outro aspecto, uma aeroestrutura é provida na qual um laminado inclui elementos isolantes e camadas estruturais e os elementos isolantes são configurados de maneira tal que o termoplástico de uma inferior das camadas estruturais tenha uma temperatura de fusão e os elementos isolantes são configurados para impedir o aquecimento das camadas estruturais além da camada inferior acima da temperatura de fusão quando a camada inferior é exposta a um campo eletromagnético suficiente

5 / 27 para elevar uma porção do laminado inferior acima da temperatura de fusão.

[0013] Similarmente, a presente invenção também provê uma aeroestrutura tendo um laminado formado de uma pluralidade de elementos isolantes embutidos em uma pluralidade de camadas estruturais e uma camada inferior, em que o termoplástico da camada inferior tem um ponto de fusão e os elementos isolantes são configurados para impedir que o termoplástico das camadas estruturais se funda quando a camada inferior é soldada em aeroestruturas separadas por soldagem por indução.

[0014] De acordo com um aspecto adicional, a presente invenção provê uma aeroestrutura compósita formada de uma pluralidade de longarinas longitudinalmente alongadas, uma pluralidade de nervuras alongadas conectadas à pluralidade de longarinas para formar uma grade e um revestimento compósito. O revestimento compósito inclui uma pluralidade de camadas estruturais, uma pluralidade de elementos isolantes e uma camada de solda. As camadas estruturais são cada uma formadas de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida. Os elementos isolantes são formados de material eletricamente isolante e eles formam uma pluralidade de grades isolantes em que as grades isolantes são alinhadas entre si e são dispostas entre as camadas estruturais. A camada de solda é também formada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida. A aeroestrutura também inclui uma pluralidade de elementos de conexão compreendendo uma camada de material termoplástico reforçado de fibra unidirecional ou tecida. Cada elemento de conexão é conectado a uma das longarinas ou uma das nervuras. Adicionalmente, as fibras de carbono da camada de solda são orientadas em uma primeira direção e as fibras de carbono dos elementos de conexão são orientadas em uma segunda direção transversal à primeira direção. A camada de solda se sobrepõe e é conectada aos elementos de conexão.

[0015] Ainda adicionalmente, a presente invenção provê um laminado

6 / 27 compósito para uso em uma aeroestrutura. O laminado inclui uma pluralidade de camadas estruturais, uma pluralidade de elementos isolantes e uma camada de solda. As camadas estruturais são cada uma formadas de lâminas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono unidirecional ou tecida e a direção de fibra de pelo menos algumas das camadas estruturais é transversal à direção de fibra de uma camada estrutural adjacente. Os elementos isolantes são formados de material eletricamente isolante e eles formam uma pluralidade de grades isolantes. As grades isolantes são alinhadas entre si e são embutidas nas camadas estruturais entre camadas estruturais adjacentes nas quais a direção de fibra da fibra de carbono é transversal. A camada de solda pode também ser formada de lâmina termoplástica reforçada com fibra de carbono unidirecional ou tecida.

[0016] Ainda adicionalmente, a presente invenção provê um método para formar uma caixa de asa compósita. O método inclui as etapas de prover uma pluralidade de longarinas, conectar uma pluralidade de nervuras à pluralidade de longarinas e formar um revestimento compósito. O revestimento compósito inclui uma pluralidade de camadas estruturais, uma pluralidade de camadas isolantes e uma camada de solda. Cada camada estrutural é formada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida. Cada camada isolante é formada de uma pluralidade de elementos eletricamente isolantes espaçados. Cada elemento isolante tem um comprimento e uma largura e o comprimento é substancialmente maior que a largura. As camadas isolantes são alinhadas entre si e são dispostas entre as camadas estruturais. As camadas isolantes são configuradas de forma que os elementos isolantes se sobreponham às longarinas e nervuras quando o revestimento compósito se sobrepõe às longarinas e nervuras. A camada de solda é formada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida. O método inclui a etapa de posicionar o revestimento compósito sobre as nervuras e longarinas de forma que as camadas do

7 / 27 revestimento compósito se sobreponham às nervuras e longarinas. O revestimento compósito é então soldado nas nervuras e longarinas. A etapa de soldar compreende a etapa de transportar uma cabeça de solda por indução sobre o laminado compósito adjacente às nervuras e longarinas de forma que a cabeça de solda por indução imponha um campo eletromagnético através do laminado compósito de forma que a camada de solda seja aquecida acima da temperatura de fusão do termoplástico na camada de solda enquanto as camadas isolantes impedem o aquecimento das camadas estruturais acima da temperatura de fusão do termoplástico.

[0017] Opcionalmente, o método pode incluir a etapa de conectar uma pluralidade de elementos de conexão às nervuras e às longarinas. Cada elemento de conexão pode incluir uma camada de termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida e a etapa de soldar pode compreender soldar a camada de solda nos elementos de conexão. Adicionalmente, as fibras de carbono da camada de solda podem ser orientadas em uma primeira direção e as fibras de carbono dos elementos de conexão podem ser orientadas em uma segunda direção. A etapa de conectar uma pluralidade de conectores pode compreender conectar os conectores de forma que a segunda direção seja transversal a primeira direção.

[0018] De acordo com ainda um outro aspecto, a presente invenção provê um método que inclui a etapa de prover um laminado compósito tendo uma pluralidade de camadas isolantes, que compreende a etapa de arranjar a pluralidade de elementos isolantes em uma grade.

[0019] De acordo com um aspecto adicional, a presente invenção provê um método que inclui a etapa de prover um laminado compósito tendo uma pluralidade de camadas isolantes e o método compreende a etapa de arranjar a pluralidade de elementos isolantes de forma que uma pluralidade de aberturas seja formada entre os elementos isolantes.

[0020] De acordo com ainda um aspecto adicional, a presente

8 / 27 invenção provê um método incluindo a etapa de formar um revestimento compósito, que inclui a etapa de prover pares das camadas estruturais em que cada camada de um par de camadas estruturais é adjacente e diretamente conectado à outra camada estrutural do par e as duas camadas em um par são orientadas de forma que as fibras em ambas as camadas fiquem substancialmente paralelas. Pares adjacentes de camadas estruturais são orientadas de forma que as fibras em um par fiquem transversais às fibras no par adjacente. Opcionalmente, o método inclui a etapa de prover camadas isolantes dispondo uma camada isolante entre um par e o par adjacente. Adicionalmente, uma camada isolante pode ser disposta entre cada par adjacente de camadas estruturais.

[0021] Adicionalmente, de acordo com um outro aspecto, um é provido um método que inclui um método para formar um laminado compósito para uma aeroestrutura. O método inclui as etapas de prover uma pluralidade de camadas estruturais, cada uma formada de lâminas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono unidirecional ou tecida e prover uma pluralidade de elementos isolantes formados de material eletricamente isolante, em que cada elemento isolante tem um comprimento e uma largura e o comprimento é substancialmente maior que a largura. O método adicionalmente inclui a etapa de criar uma pluralidade de camadas isolantes, em que cada camada é formada pela etapa de arranjar os elementos isolantes em um padrão no qual uma pluralidade dos elementos isolantes é espaçada uns dos outros. As camadas isolantes são posicionadas entre as camadas estruturais pelo alinhamento do padrão em cada camada de isolamento. As camadas estruturais são arranjadas de forma que a camada inferior forme uma camada de solda. O método inclui a etapa de consolidar a pluralidade de camadas estruturais e as camadas isolantes pelo aquecimento das camadas e aplicação de pressão para formar um laminado compósito com as camadas isolantes embutidas nas camadas estruturais. Opcionalmente, a

9 / 27 etapa de arranjar compreende arranjar uma pluralidade dos elementos isolantes de forma que os elementos isolantes se estendam entre a pluralidade de elementos isolantes espaçados. Adicionalmente, a etapa de arranjar pode compreender arranjar os elementos isolantes de forma que existam lacunas entre os separados dos elementos isolantes.

[0022] De acordo com um aspecto adicional, um é provido um método que inclui posicionar um laminado consolidado sobre uma camada de conexão de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida de forma que a direção de fibras em uma camada de solda fique transversal as fibras na camada de conexão e a etapa de induzir um campo eletromagnético através da espessura do laminado e da camada de conexão para aquecer a camada de solda e a camada de conexão suficientemente para soldar a camada de solda e camada de conexão uma na outra.

[0023] De acordo com um outro aspecto, um método é provido que inclui a etapa de induzir um campo eletromagnético transportando uma bobina de indução sobre um laminado seguindo um padrão de camadas de isolamento no laminado.

[0024] Ainda adicionalmente, a presente invenção provê um método que inclui a etapa de induzir um campo eletromagnético pela concentração de um campo eletromagnético na largura de uma pluralidade de elementos de isolamento. Opcionalmente, uma camada de conexão é rigidamente conectada a uma aeroestrutura de forma que a etapa de induzir um campo eletromagnético solda o laminado na camada de conexão para conectar fixamente o laminado à aeroestrutura.

[0025] De acordo com ainda um outro aspecto, é provido um método no qual uma aeroestrutura compreende uma pluralidade de elementos estruturais formando um padrão e o método compreende alinhar o padrão dos elementos estruturais com um padrão de camadas isolantes em um laminado.

10 / 27 A camada isolante pode ser formada de elementos isolantes arranjados em uma grade. Opcionalmente, a etapa de arranjar os elementos isolantes em um padrão pode compreender arranjar os elementos isolantes de forma que uma pluralidade de aberturas seja formada entre os elementos isolantes.

[0026] Embora os métodos e aparelho sejam descritos aqui a título de exemplo para diversas modalidades e desenhos ilustrativos, versados na técnica perceberão que os métodos e aparelho inventivos para classificar itens usando um arranjo de classificação dinamicamente reconfigurável não são limitados às modalidades ou desenhos descritos. Deve-se entender que os desenhos e descrição detalhada dos mesmos não devem limitar as modalidades à forma particular descrita. Em vez disso, a invenção deve cobrir todas modificações, equivalentes e alternativas que se enquadrem no espírito e escopo dos métodos e aparelho para classificar itens usando um ou mais arranjos de classificação dinamicamente reconfiguráveis definidos pelas reivindicações anexas. Todos os cabeçalhos usados aqui são apenas para efeitos organizacionais e não visam limitar o escopo da descrição ou das reivindicações. Na forma usada aqui, a palavra “pode” é usada em um sentido permissivo (isto é, significando tendo o potencial para), em vez de sentido obrigatório (isto é, significando deve). Similarmente, as palavras “incluir”, “incluindo”, e “inclui” significam incluindo, mas não se limitando a. Descrição dos Desenhos

[0027] O sumário apresentado e a descrição detalhada seguinte das modalidades preferidas da presente invenção ficarão mais bem entendidos quando lidos em combinação com os desenhos anexos, em que: a Fig. 1 é uma vista explodida em perspectiva de uma caixa de asa incorporando aspectos da presente invenção; a Fig. 2 é uma vista diagramática de um sistema para formar a caixa de asa da Fig. 1; a Fig. 3 é uma vista em perspectiva ampliada de uma porção

11 / 27 da caixa de asa da Fig. 1; a Fig. 4 é uma vista lateral esquemática da porção da caixa de asa ilustrada na Fig. 3. Descrição Detalhada da Invenção

[0028] Referindo-se agora às figuras, em geral, e à Fig. 1, em particular, uma aeroestrutura compósita é designada no geral por 10. No presente caso, a aeroestrutura 10 é uma caixa de asa tendo um revestimento superior 40 e um revestimento inferior, que são ambos suportados por uma estrutura de suporte 15. O(s) revestimento(s) superior e/ou inferior é/são formado(s) de um material termoplástico reforçado com fibra de carbono. O revestimento compósito inclui elementos isolantes e assim o revestimento pode ser eficientemente soldado na estrutura de suporte sem aquecer a maior parte do revestimento, que pode causar danos ao revestimento. Em particular, o revestimento 40 é formado de um laminado que é configurado para localizar o efeito de aquecimento produzido por uma cabeça de solda por indução para limitar o aquecimento do revestimento de forma que apenas uma porção do revestimento em uma zona de solda seja aquecida a uma temperatura de soldagem.

[0029] Referindo-se à Fig. 1, os detalhes da aeroestrutura serão descritos em mais detalhe. Na Fig. 1, a aeroestrutura incorpora um laminado na estrutura de uma caixa de asa. Entretanto, deve-se entender que isso é meramente uma estrutura exemplificativa; o laminado pode ser incorporado em uma variedade de estruturas compósitas. Adicionalmente, embora o laminado tenha aplicação particular em uma aeroestrutura, o laminado não é limitado ao uso em uma aeroestrutura.

[0030] A aeroestrutura 10 na Fig. 1 é uma caixa de asa que inclui uma estrutura de suporte subjacente 15 e uma cobertura que se sobrepõe à estrutura de suporte. No presente caso, a cobertura 40 é referida como um revestimento e está mostrada na Fig.3. Para clareza, na Fig. 1 o revestimento é mostrado

12 / 27 com camadas estruturais separadas das camadas de isolamento, e apenas uma única camada estrutural é mostrada (designada 50). Adicionalmente, na Fig. 1 o conjunto é ilustrado com um único revestimento que se sobrepõe ao topo da estrutura de suporte. Entretanto, deve-se entender que o conjunto 10 pode também incluir um revestimento inferior que cobre a base da estrutura de suporte. O revestimento inferior pode ser formado de um laminado similar ao laminado do revestimento superior 40. Adicionalmente, os revestimentos de topo ou de base podem envolver a borda dianteira ou traseira da estrutura de suporte para formar um conjunto fechado.

[0031] A estrutura de suporte 15 pode ser qualquer uma dentre uma variedade de configurações dependendo da aplicação para a estrutura. No presente caso, a estrutura de suporte 15 é formada de uma pluralidade de longarinas e nervuras alongadas. Uma longarina dianteira 20 se estende através do comprimento da caixa de asa. Uma primeira extremidade da longarina dianteira é conectada a uma primeira nervura de extremidade 30, e uma segunda extremidade da longarina dianteira é conectada a uma segunda nervura de extremidade 30 de forma que a longarina dianteira se estenda a uma distância entre as duas nervuras de extremidade. As nervuras de extremidade 30 se estendem através da largura da caixa de asa e são transversais à longarina dianteira 20. A longarina dianteira 20 é uma viga alongada tendo uma alma central tendo uma altura e um espessura, em que a altura é substancialmente maior que a espessura. A alma da longarina dianteira pode ser incorporada em qualquer uma dentre uma variedade de configurações de viga, tais como uma viga de caixa, viga de canal ou uma viga I. No presente caso, a longarina pode ser uma viga de canal com a alma se estendendo entre uma superfície superior 22 e uma superfície inferior 24. Como descrito a seguir, as superfícies superior e inferior 22, 24 podem formar superfícies de conexão para conectar os revestimentos 40 às longarinas.

[0032] Uma longarina traseira 25 espaçada da longarina dianteira 20 é

13 / 27 também conectada às duas nervuras de extremidade 30 de forma que a longarina traseira se estenda no comprimento entre as nervuras de extremidade. A longarina traseira 25 pode ser configurada de forma substancialmente similar à longarina dianteira. No presente caso, a longarina traseira 25 é substancialmente similar à longarina dianteira, exceto que a longarina traseira é menor que a longarina dianteira. Dessa maneira, as longarinas interconectadas 20, 25 e as nervuras de extremidade 30 formam os lados de uma estrutura de suporte em formato geral de caixa 15. Adicionalmente, a estrutura de suporte 15 pode incluir uma pluralidade de elementos adicionais para enrijecer e/ou reforçar a estrutura. Por exemplo, a estrutura de suporte 15 pode incluir longarinas adicionais que se estendem através do comprimento da estrutura. No presente caso, a estrutura de suporte 15 inclui uma pluralidade de nervuras intermediárias 35 que se estendem através da largura da estrutura de suporte.

[0033] Na presente modalidade, a altura das nervuras 30, 35 se afunila para formar uma caixa de asa cônica. Em particular, a altura das nervuras 30, 35 adjacentes à longarina dianteira 20 é maior que a altura das nervuras 30, 35 adjacentes à longarina traseira 25. As nervuras intermediárias 35 são espaçadas das nervuras de extremidade 30 e umas das outras. As nervuras 30, 35 podem ser configuradas como vigas alongadas, similares à longarina 20, 25 como aqui descrito. No presente caso, as nervuras 30, 35 são configuradas similarmente às vigas de canal, tendo um alma central que se estende entre pernas superior e inferior transversais. Adicionalmente, similar às longarinas, as pernas superior e inferior das nervuras 30, 35 podem formar superfícies que fazem contato com os revestimentos 40 para prover pontos de conexão entre os revestimentos e a estrutura de suporte 15. Especificamente, as nervuras de extremidade 30 podem incluir flanges superior e inferior 32, 34 que formam superfícies de contato, e as nervuras intermediárias 35 podem incluir flanges superior e inferior 37, 38 que formam superfícies de contato.

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[0034] Referindo-se agora às Figs. 1 e 3-4, os detalhes do laminado que forma o revestimento 40 serão descritos em mais detalhe. O laminado inclui uma pluralidade de camadas estruturais 50, 52, 54, 56, 58 com uma pluralidade de elementos isolantes 60 embutidos entre uma ou mais camadas estruturais. Cada camada estrutural compreende elementos de reforço embutidos em um material de matriz. Dependendo da aplicação, os elementos de reforço podem ser qualquer dentre uma variedade de materiais de reforço. A título de exemplo, os elementos de reforço podem ser filamentos alongados ou fibras de vidro ou carbono. Por exemplo, uma fibra de carbono exemplificativa é uma fibra a base de PAN contínua de alta resistência e alta deformação em feixes de 3.00 a 12.000. Essas fibras de reforço podem ser tratadas com um tratamento superficial e podem ser dimensionadas para melhorar suas propriedades de cisalhamento interlaminar com o material de matriz. Entretanto, deve-se entender que esses materiais devem ser materiais exemplificativos; outros materiais podem ser utilizados dependendo do ambiente no qual o laminado deve ser usado.

[0035] Os elementos de reforço são embutidos em um material de matriz, tal como um polímero. Dependendo da aplicação, qualquer um dentre uma variedade de polímeros pode ser usado para o material de matriz, incluindo polímeros amorfos, cristalinos e semicristalinos. No presente caso, o material de matriz é um material termoplástico, tal como um elastômero termoplástico. Mais especificamente, o material termoplástico é um termoplástico semicristalino. Em particular, o termoplástico pode ser um polímero termoplástico na família de poliariletercetona (PAEK), incluindo, mas não se limitando a polieteretercetona (PEEK) e polietercetonacetona (PEKK).

[0036] Como aqui notado, as camadas estruturais 50, 52, 54, 56, 58 podem ser materiais compósitos, que podem ser compósitos termoplásticos reforçados com fibra de carbono. Em particular, a lâmina pode ser prepregs

15 / 27 termoplásticos, que são lâminas nas quais os materiais de reforço foram pré- impregnados com resina. Por exemplo, o prepreg pode ser prepregs termoplásticos produzidos revestindo fibras de reforço com uma matriz termoplástica. Uma lâmina prepreg como essa tem capacidade de ser reaquecida e reformada pelo aquecimento da lâmina acima do ponto de fusão da matriz termoplástica. Diversos materiais prepreg exemplificativos que podem ser usados para formar os elementos estruturais 25, 26 incluem, mas sem se limitar a materiais produzidos pela TenCate Advanced Composite USA de Morgan Hill, Califórnia e comercializados com o nome CETEX, tais como TC1200, TC1225 e TC1320. TC1200 é um compósito de PEEK semicristalinho reforçado com fibra de carbono tendo uma temperatura de transição vítrea (Tg) de 143°C / 289°F e uma temperatura de fusão (Tm) de 343°C / 649°F. TC1225 é um compósito de PAEK semicristalino reforçado com fibra de carbono tendo uma Tg de 147°C / 297°F e uma Tm de 305°C / 581°F. TC1320 é um compósito de PEKK semicristalino reforçado com fibra de carbono tendo uma Tg de 150°C / 318°F e uma Tm de 337°C / 639°F.

[0037] Referindo-se novamente à Fig. 1, o laminado 40 compreende uma pluralidade de camadas estruturais configuradas para suportar a carga estrutural. Uma pluralidade de camadas de isolamento 60 é embutida nas camadas estruturais. Embora as camadas de isolamento possam ser configuradas para suportar carga estrutural, no presente caso, as camadas de isolamento são configuradas para isolar o aquecimento do laminado durante soldagem sem suportar carga estrutural significante, se houver. Para ilustrar os detalhes das camadas de isolamento 60, na Fig. 1, as camadas de isolamento 60 são mostradas separadamente das camadas estruturais do laminado, junto com uma única camada estrutural 50 do laminado. Na modalidade ilustrada na Fig. 1, uma pluralidade de camadas de isolamento alinhadas e sobrepostas 60 é ilustrada, entretanto, deve-se entender que o número e localização das camadas de isolamento podem variar dependendo

16 / 27 da aplicação.

[0038] As camadas de isolamento 60 são embutidas em um material de matriz. Preferivelmente, o material de matriz é um material termoplástico que pode ser fundido por aquecimento com as outras camadas no laminado. A fusão por aquecimento do material de matriz da camada de isolamento, a camada de isolamento é integralmente formada com o laminado. Em particular, no presente caso, as camadas de isolamento são formadas de um material compósito tendo uma matriz que é substancialmente similar ao material de matriz das camadas estruturais. Por exemplo, os elementos resistivos são fibras de carbono e o material de matriz é um material termoplástico, tal como um termoplástico semicristalino na família de poliariletercetona (PAEK).

[0039] As camadas de isolamento 60 fornecem isolamento elétrico entre as porções das camadas estruturais quando um campo eletromagnético é aplicado ao laminado adjacente às camadas de isolamento 50. As camadas de isolamento 60 podem compreender qualquer um dentre uma variedade de materiais eletricamente isolantes. Preferivelmente, as camadas de isolamento 60 compreendem um material termoplástico. No presente caso, a camada de isolamento compreende uma ou mais lâminas de termoplástico reforçado com vidro.

[0040] As camadas de isolamento 60 são configuradas para isolar o calor de um processo de aquecimento para uma zona ou área particular do laminado. Deve-se entender que, embora as camadas de isolamento 60 limitem o aquecimento das camadas estruturais, as camadas de isolamento não limitam o aquecimento, provendo significante isolamento térmico. Em vez disso, as camadas de isolamento fornecem isolamento elétrico para seletivamente isolar diferentes áreas para que não sejam aquecidas pelo aquecimento indutivo.

[0041] Por exemplo, durante um processo no qual o revestimento 40 é

17 / 27 soldado na estrutura de suporte 15, as camadas de isolamento limitam o calor criado durante o processo de soldagem de forma que apenas uma lona ou lonas selecionadas do laminado são aquecidas e apenas em certas áreas da lona ou lonas selecionadas. Dessa forma, as camadas de isolamento 60 são configuradas para formar um padrão que corresponde às porções do laminado destinadas a ser aquecidas. Especificamente, as camadas de isolamento podem ser configuradas para formar um padrão que corresponde às porções do laminado destinadas a ser soldadas. Em particular, o padrão pode corresponder às áreas do laminado que fazem contato com a parte da qual o laminado deve ser soldado. Por exemplo, a camada de isolamento 60 pode ser formada para corresponder ao padrão formado pelas superfícies superiores das longarinas 20, 25 e das nervuras 30, 35 (por exemplo, as superfícies superiores 22, 27, 32 e 37).

[0042] Cada camada de isolamento 60 pode ser formada de uma única peça de material isolante configurada no padrão desejado. Em alguns casos, o padrão pode ser um padrão sólido de forma que o material isolante simplesmente forme um bloco, tira ou padrão similar. Entretanto, no presente caso, a camada de isolamento 60 forma um padrão tendo uma pluralidade de aberturas de forma que a camada de isolamento 60 se sobreponha menos que uma maior parte da área do laminado. Em alguns casos, o isolamento pode formar um padrão tendo áreas abertas suficientes de forma que o isolamento sobreponha menos que 40% da área geral do laminado. Adicionalmente ainda, em algumas aplicações, a camada de isolamento pode formar um padrão tendo áreas abertas suficientes de forma que o isolamento sobreponha menos que 30% da área geral do laminado. Adicionalmente, em algumas aplicações, pode ser desejável configurar a camada de isolamento para ter áreas abertas suficientes de forma que o isolamento sobreponha menos que 20% da área geral do laminado. Adicionalmente, a camada de isolamento na estrutura ilustrada forma um padrão que cobre pelo menos aproximadamente 5% da

18 / 27 área geral do laminado.

[0043] Referindo-se novamente à Fig. 1, no presente caso, a camada de isolamento 60 forma um padrão de grade de uma pluralidade de tiras interceptantes de material isolante. Especificamente, a camada de isolamento 60 é formada de uma pluralidade de elementos de isolamento alongados tendo um comprimento e uma largura, em que o comprimento é significativamente maior que a largura. Um material exemplificativo para formar os elementos de isolamento é uma fita de fibras de vidro embutida em material termoplástico. Um primeiro grupo de elementos isolantes forma elementos de isolamento de longarina 70 que se estendem pelo menos substancialmente por todo o comprimento das longarinas 20, 25. Como mostrado na Fig. 1, os elementos de isolamento de longarina 70 são dispostos de forma que um primeiro elemento de isolamento de longarina se sobreponha à superfície superior 22 da longarina dianteira 20 e um segundo elemento de isolamento de longarina 70 se sobreponha à superfície superior 27 da longarina traseira

25. Um par de elementos isolantes de nervura de extremidade 80 são dispostos adjacentes às extremidades das longarinas traseiras de forma que os elementos isolantes de nervura de extremidade se sobreponham às superfícies superiores 32 das nervuras de extremidade. Similarmente, uma pluralidade de elementos isolantes 82 se estende entre os elementos de isolamento de longarina 72 para se sobreporem às nervuras intermediárias 35. Como pode-se ver, as nervuras 30, 35 se estendem para trás além da longarina traseira 25. Portanto, os elementos de isolamento de nervura intermediária podem se estender sobre o elemento de isolamento de longarina 70 sobrepondo a longarina traseira 25. Dessa maneira, o elemento de isolamento de nervura 82 e o elemento de isolamento de longarina 70 se sobreporiam para formar um elemento de isolamento tendo uma espessura de duas lona. Entretanto, no presente caso, os elementos de isolamento da camada de isolamento não se sobrepõem substancialmente de maneira que substancialmente toda a camada

19 / 27 de isolamento tem uma espessura de uma única camada. Dessa forma, para impedir sobreposição substancial de elementos de isolamento, os elementos de isolamento de nervura intermediária são formados em dois segmentos: um primeiro segmento 82 se estende sobre as longarinas intermediárias e se estende entre os elementos de isolamento de longarina 70; e um segundo segmento 84 se estende sobre a extremidade traseira das nervuras intermediárias 35 de forma que os segundos segmentos se estendem para fora do elemento de isolamento de longarina 70 que sobrepõe à longarina traseira.

[0044] Como pode-se ver pelo exposto, a camada de isolamento 60 forma um padrão tendo uma pluralidade de áreas abertas. Em particular, a camada de isolamento forma um padrão que forma uma grade para conectar o laminado 40 ao topo das nervuras e longarinas.

[0045] Em algumas aplicações, pode ser desejável variar o padrão ou tamanho das diferentes camadas de isolamento de forma que diferentes camadas de isolamento isolem diferentes lonas do laminado. Entretanto, no presente caso, cada uma das camadas de isolamento 60 é substancialmente similar. Especificamente, cada camada de isolamento 60 tem um tamanho e padrão similar. Adicionalmente, como mostrado na Fig. 1, cada uma das camadas de isolamento 60 no laminado é alinhada de forma que os elementos de isolamento que formam o padrão para cada camada se sobreponham aos elementos correspondentes nas outras camadas de isolamento.

[0046] Como aqui discutido, cada uma das camadas estruturais 50, 52, 54, 56, 58 e das camadas isolantes 60 pode compreender camadas de materiais compósitos de termoplástico reforçado. Dessa forma, as camadas estruturais e a camada de isolamento podem ser integralmente conectadas fundindo as camadas. Especificamente, as camadas podem ser consolidadas aplicando calor suficiente para elevar as camadas acima do ponto de fusão da matriz termoplástica e aplicando pressão suficiente para fundir as camadas entre si. Dessa maneira, as camadas de isolamento 60 são embutidas no

20 / 27 laminado entre as camadas estruturais.

[0047] O número de lonas estruturais e a orientação das lonas na laminado podem variar dependendo da aplicação. Adicionalmente, a orientação das lonas e o posicionamento das camadas de isolamento podem ser variadas dependendo do isolamento térmico desejado. As Figs. 3 e 4 ilustram uma disposição exemplificativa do laminado 40. Entretanto, deve-se entender que o número de lonas, a orientação das lonas, bem como o número e localização das camadas isolantes 60 são apenas um exemplo; a invenção não está limitada à disposição ilustradas nesse laminado exemplificativo.

[0048] O laminado inclui dez camadas estruturais designadas 50a,b, 52a,b, 54a,b, 56a,b e 58a,b. Como aqui descrito, cada camada estrutural pode ser uma lona ou camada de material compósito, tal como fita termoplástica reforçada com fibra de carbono unidirecional ou tecida. A direção de fibra para cada camada estrutural pode variar para prover resistência em uma pluralidade de direções. Entretanto, no presente caso, as camadas podem ser dispostas em pares, em que a direção de fibra em ambas as camadas no par é paralela. Por exemplo, a primeira camada no laminado é designada 50a e tem uma direção de fibra de 90° e a segunda camada no laminado (designada 50b) também tem um ângulo de fibra de 90°. Essas primeiras duas camadas 50a, 50b formam um par que são adjacentes uma à outra e afixadas uma à outra. As terceira e quarta camadas estruturais compreendem o segundo par de camadas 52a, 52b. Cada camada desse segundo par tem uma direção de fibra de 0°. As quinta e sexta camadas estruturais compreendem o terceiro par de camadas 54a, 54b. Cada camada do terceiro par tem uma direção de fibra de 45°. As sétimas e oitava camadas estruturais compreendem o quarto par de camadas 56a, 56b. O laminado pode ser formado de forma que ele seja simétrico em torno de sua linha de meio, que, no presente caso, é o terceiro par de camadas. Dessa forma, o quarto par de camadas estruturais 56a, 56b pode ter uma direção de fibra que é similar à direção de fibra do segundo par

21 / 27 de camadas estruturais (por exemplo, 0°). Similarmente, as nona e décima camadas formam o quinto par e cada camada do quinto par pode ter uma direção de fibra de 90°. Deve-se notar que as camadas não precisam ser dispostas em pares. Por exemplo, como mostrado na Fig. 4, as camadas são dispostas em pares. Entretanto, na Fig. 3, as camadas de superior e inferior 52, 58 são dispostas como camadas simples, enquanto as seis lonas entre as camadas de topo e inferior são dispostas em pares.

[0049] As camadas de isolamento 60 são seletivamente inseridas entre camadas estruturais do laminado. Embora camadas de isolamento possam ser inseridas entre cada camada do laminado, no presente caso, as camadas de isolamento são inseridas entre menos que todas as camadas estruturais. Em particular, as camadas de isolamento são inseridas entre camadas tendo uma característica selecionada. Por exemplo, no presente caso, a característica selecionada é uma mudança na direção de fibra. Uma camada de isolamento 60 é inserida entre camadas adjacentes tendo ângulo de fibra diferente. Dessa forma, na disposição supradescrita, as camadas isolantes 60 são dispostas entre os pares de camadas estruturais, mas não nas camadas no par. Mais especificamente, referindo-se às Figs. 3-4, a primeira camada isolante 60a é posicionada entre a camada 50 (na Fig. 3) ou 50b (na Fig. 4) e a camada 52a em virtude de a interface entre a camada 50/50b e camada 52a ser uma interface na qual as fibras em camadas adjacentes são transversais uma à outra (isto é, o ângulo de fibra muda de 90° para 0°). Similarmente, a segunda camada isolante 60b é posicionada entre a camada 52b e a camada 54a em virtude de o ângulo de fibra mudar de 0° para 45°. A terceira camada isolante 60c é posicionada entre os terceiro e quarto pares (isto é, a interface das camadas 54b e 56a) onde o ângulo de fibra muda de 45° para 0°. A quarta camada isolante 60d é posicionada entre os quarto e quinto pares (isto é, a interface das camadas 56b e 58a ou camada 58 na Fig. 3) onde o ângulo de fibra muda de 0° para 90°.

22 / 27

[0050] Deve-se notar que a espessura das camadas nas Figuras não está em escala e, em alguns casos, a espessura está exagerada apenas para efeitos de ilustração. Por exemplo, na Fig. 2, as camadas estruturais 50, 52, 54, 56, 58 e as camadas isolantes 60 são representadas tendo lacunas entre camadas adjacentes. Entretanto, deve-se entender que as camadas no laminado são camadas consolidadas nas quais as diferentes camadas foram fundidas entre si. Adicionalmente ainda, como notado acima, cada camada de isolamento 60 é descrita como uma única camada de material isolante formada de um ou mais elementos isolantes. Entretanto, pode ser desejável em certa aplicação aumentar uma ou mais das camadas de isolamento de forma que a(s) camada(s) de isolamento possa(m) ser formada(s|) de múltiplas camadas de material isolante. Adicionalmente, como mostrado na Fig. 2, a camada isolante 60 pode não ser uma camada contínua que se estende por todo o comprimento e largura do laminado, como mostrado na Fig. 1. Em vez disso, a camada isolante 60 pode cobrir apenas uma pequena porção da área das camadas estruturais.

[0051] O laminado 40 pode ser formado usando uma variedade de processos. Os detalhes de um método de formação do laminado 40 a partir de uma pluralidade de camadas termoplásticas reforçadas serão agora descritos. Adicionalmente, o método de formação de uma aeroestrutura usando o laminado será também descrito.

[0052] Uma pluralidade de camadas de fita de fibra de carbono termoplástico reforçado é disposta uma por cima da outra para formar uma pluralidade de lonas que são camadas estruturais. A orientação de fibra nas lonas pode ser variada e lonas isolantes podem ser posicionadas na interface de lonas tendo orientações de fibra transversais. Por exemplo, as camadas podem ser formadas de dez lonas estruturais e 4 camadas isolantes orientadas a 90°, 90°, Ins, 0°, 0°, Ins, 45°, 45°, Ins, 0°, 0°, Ins, 90°, 90° (em que “Ins” se refere a uma camada isolante). As camadas isolantes são formadas de um ou

23 / 27 mais elementos isolantes formando um padrão. As camadas isolantes podem ser alinhadas através da espessura do laminado de forma que o padrão de cada camada isolante se sobreponha ao padrão das outras camadas isolantes no laminado. Nesse laminado exemplificativo, as camadas de fibra de carbono das camadas estruturais são formadas de fita unidirecional reforçada com fibra de carbono de PEEK/AS4 e as camadas de isolamento são formadas de fita unidirecional termoplástica reforçada com fibra de vidro de PEEK/S2.

[0053] As camadas estruturais e as camadas isolantes são consolidadas para formar um laminado pelo aquecimento das lonas montadas sob pressão. Por exemplo, o conjunto pode ser aquecido até uma temperatura acima da temperatura de fusão. No presente caso, as camadas montadas são aquecidas a aproximadamente 725° sob uma pressão de aproximadamente 0,206 MPa (30 psi). Após as camadas montadas atingirem 725°, a pressão é elevada para aproximadamente 0,689 MPa (100 psi) e o conjunto é mantido na temperatura elevada por um tempo prolongado, tal como aproximadamente 30 minutos. A pressão é então removida e o laminado consolidado é resfriado à temperatura ambiente.

[0054] Formado como aqui descrito, o laminado pode ser conectado a um ou mais elementos separados para formar a estrutura. Uma estrutura exemplificativa é uma aeroestrutura. Mais especificamente, o laminado é configurado de forma que o laminado possa ser soldado em uma estrutura separada. Adicionalmente ainda, o laminado é construído de forma que o calor gerado durante o processo de soldagem seja isolado em uma lona ou lonas selecionadas do laminado. Adicionalmente, o calor gerado pode ser isolado em áreas selecionadas da lona selecionada. O processo de soldagem do laminado com um elemento separado será agora descrito em mais detalhe.

[0055] Como aqui descrito, o laminado é formado com uma ou mais camadas isolantes. A(s) camada(s) isolante(s) pode(m) ser formada(s) de acordo com um padrão. Em particular, o padrão pode ser similar à área de

24 / 27 contato do elemento ou conjunto separado que deve ser soldado no laminado. Por exemplo, referindo-se à Fig. 1, a camada isolante pode formar uma grade que é modelada similarmente à grade formada pelas nervuras 30, 35 e longarinas 20, 25 da estrutura de suporte 15. Dessa forma, o método inclui a etapa de alinhar o padrão da(s) camada(s) isolante(s) com a grade formada pelas nervuras e longarinas. Referindo-se à Fig. 2, a superfície superior da estrutura de suporte compreende um ou mais elementos de conexão para soldar a estrutura de suporte no laminado. Em particular, as nervuras 30, 35 e longarinas 20, 25 podem ser formadas de forma que a superfície superior 22, 27, 32, 37 forme elementos de conexão. Alternativamente, os elementos de conexão podem ser elementos separados que são fixamente conectados às nervuras e longarinas.

[0056] Na modalidade ilustrada, o elemento de conexão é uma lona de material termoplástico reforçado com fibra de carbono similar ao material que forma as lonas estruturais do laminado 40. Na Fig. 2, o elemento de conexão é designado 39 e é ilustrado como um laminado fixamente conectado ao topo do flange 37 da nervura intermediária 35. Entretanto, deve-se entender que o elemento de conexão pode ser uma parte integral da estrutura subjacente. Por exemplo, as nervuras 35 podem ser formadas de forma que o flange 37 seja formado de material termoplástico reforçado com fibra de carbono que operaria como o elemento de conexão. Alternativamente, o elemento de conexão pode ser um elemento separado que é mecanicamente preso, tal como por um grampo ou um prendedor.

[0057] A direção de fibra das fibras de carbono no elemento de conexão 39 pode ser orientada em uma direção que é transversal à direção de fibra da lona inferior 58b do laminado. O laminado 40 é colocado sobre a estrutura de forma que a camada inferior 58b faça contato com o(s) elemento(s) de conexão(s) 39, com as camadas isolantes 60a,b,c,d alinhadas com os elementos de conexão. Uma cabeça de solda por indução 100 é então

25 / 27 colocada em engate operante com o laminado para induzir um campo eletromagnético através da espessura do laminado. Em particular, a cabeça de solda por indução 100 desloca sobre a superfície de topo do laminado. A cabeça de solda não precisa fazer contato com a superfície superior; entretanto, a cabeça de solda é suficientemente próxima à superfície de topo do laminado para induzir um campo eletromagnético através da espessura do laminado tendo resistência suficiente para soldar a camada inferior 58a e o elemento de conexão 39.

[0058] A cabeça de solda 100 aquece a camada inferior e o elemento de conexão por indução eletromagnético, através do calor gerado por correntes parasitas. A cabeça de solda inclui um oscilador eletrônico que passa uma corrente alternada de alta frequência através de um eletroímã. O campo magnético rapidamente alternado então penetra no laminado e no elemento de conexão para gerar as correntes parasitas que, por sua vez, aquecem a camada inferior e o elemento de conexão.

[0059] No presente caso, a cabeça de solda induz um campo eletromagnético através do laminado e dos elementos de conexão, de forma que as camadas adjacentes tendo fibras de carbono transversais aquecem em resposta ao campo eletromagnético. Entretanto, camadas que são separadas pelas camadas isolantes 60 não aquecem acima da temperatura de fusão em resposta ao campo eletromagnético. Em particular, no presente caso, o campo eletromagnético produzido pela cabeça de solda é suficiente para aquecer a camada inferior 58a e o elemento de conexão 39 acima da temperatura de fusão do material termoplástico de matriz para a camada inferior e o elemento de conexão. Após elevar a camada inferior e o elemento de conexão acima da fusão da camada ainda aplicando pressão, a camada inferior funde com o elemento de conexão para soldar os dois itens entre si. Adicionalmente, como aqui notado, as camadas isolantes 60 isolam as camadas adjacentes do calor indutivo causado pela cabeça de solda. Em particular, deve-se notar que parte

26 / 27 do campo eletromagnético pode se estender além das bordas dos elementos isolantes da camada isolante. Dessa forma, o campo eletromagnético pode induzir um certo aquecimento nas lonas estruturais. Entretanto, o aquecimento induzido será substancialmente menor que o aquecimento induzido entre as camadas não isoladas (isto é, 58b e 39) e será substancialmente abaixo do ponto de fusão das camadas estruturais. Dessa maneira, as camadas isolantes limitam o aquecimento das camadas estruturais abaixo da temperatura de fusão ainda permitindo que a camada inferior e o elemento de conexão sejam aquecidos acima da temperatura de fusão. Portanto, embora as camadas isolantes não necessariamente impeçam todo o aquecimento das camadas adjacente às camadas isolantes, para efeitos dessa metodologia, as camadas isolantes impedem o aquecimento das camadas se as camadas isolantes limitarem o aquecimento das camadas substancialmente abaixo do ponto de fusão.

[0060] Na Fig. 2, a cabeça de solda 100 é mostrada induzindo um campo eletromagnético através do laminado para soldar o laminado na nervura 35. O método inclui a etapa de controlar o deslocamento da cabeça de solda de forma que a cabeça de solda seja transportada sobre o laminado para soldar uma pluralidade de pontos do laminado na estrutura de suporte 15. Em particular, o método pode incluir a etapa de controlar a posição da cabeça de solda para seguir o padrão formado pela camada isolante. Dessa maneira, a cabeça de solda solda o laminado na estrutura de suporte ao longo das áreas correspondentes ao padrão formado pela camada isolante 60.

[0061] Na descrição apresentada, o laminado é descrito como um painel laminado plano. Entretanto, deve-se entender que a invenção não é limitada a estruturas de painel plano. Por exemplo, o laminado pode ser usado em uma variedade de estruturas em uma variedade de campos e pode ter aplicação particular no campo aeroespacial para prover uma variedade de componentes, incluindo, mas sem se limitar a células, naceles e aerofólios,

27 / 27 tais como asas, elevadores, etc. O laminado 40 aqui descrito pode ser formado em uma estrutura curva e conectado a um elemento ou estrutura separado.

[0062] Versados na técnica percebem que mudanças ou modificações podem ser feitas nas modalidades supradescritas sem fugir dos conceitos inventivos gerais da invenção. Portanto, deve-se entender que essa invenção não está limitada às modalidades particulares aqui descritas, mas deve incluir todas mudanças e modificações que estejam dentro do escopo e espírito da invenção apresentados nas reivindicações.

Claims

1 / 14 REIVINDICAÇÕES

1. Aeroestrutura compósita, caracterizada pelo fato de que compreende: uma pluralidade de longarinas longitudinalmente alongadas, cada uma das quais compreende um elemento superior tendo uma camada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida formando uma zona de solda; e uma pluralidade de nervuras alongadas interconectadas à pluralidade de longarinas para formar uma grade, em que cada nervura compreende um elemento superior tendo uma camada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional ou tecida formando uma zona de solda; um revestimento compósito conectado à grade de longarinas e nervuras, compreendendo: uma primeira lona de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional, em que as fibras de carbono são orientadas em uma primeira direção; uma segunda lona de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional, em que as fibras de carbono são orientadas na primeira direção e a primeira lona sobrepõe e é diretamente conectada à segunda lona; uma terceira lona de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional, em que as fibras de carbono são orientadas em uma segunda direção transversal à primeira direção; uma quarta lona de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional, em que as fibras de carbono são orientadas na segunda direção e a terceira lona sobrepõe e é diretamente conectada à quarta lona; uma quinta lona de material termoplástico reforçado com fibra

2 / 14 de carbono unidirecional, em que as fibras de carbono são orientadas transversalmente às fibras de carbono nos elementos superiores das longarinas e das nervuras; uma pluralidade de elementos isolantes alongados formados de material eletricamente isolante, em que os elementos isolantes têm cada qual um comprimento e uma largura e pelo menos uma pluralidade dos elementos isolantes tem um comprimento que é substancialmente maior que a largura; e em que os elementos isolantes formam uma grade configurada de forma substancialmente similar à grade formada pelas nervuras e longarinas de forma que os elementos isolantes se sobreponham aos elementos superiores das longarinas e nervuras, em que a grade de elementos isolantes é disposta entre a segunda camada e a terceira camada.

2. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as primeira, segunda, terceira, quarta e quinta lonas são material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional.

3. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que cada elemento isolante compreende fibras de vidro embutidas em uma matriz de material termoplástico.

4. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que os elementos isolantes compreendem uma pluralidade de isoladores de longarina alongados sobrepondo as longarinas.

5. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que os elementos isolantes compreendem uma pluralidade de isoladores de nervura alongados sobrepondo as nervuras, em que os isoladores de nervura têm um comprimento que é menor que o comprimento dos isoladores de longarina.

6. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 5,

3 / 14 caracterizada pelo fato de que os isoladores de nervura se estendem entre os isoladores de longarina sem se sobreporem substancialmente aos isoladores de longarina.

7. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que os isoladores de longarina são espaçados uns dos outros.

8. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que o revestimento compósito compreende camadas adicionais de material termoplástico reforçado com fibra de carbono e em que a grade de elementos isolantes é uma primeira grade e a pluralidade de elementos isolantes forma uma segunda grade configurada de forma substancialmente similar à primeira grade de elementos isolantes, em que a segunda grade é disposta entre as camadas adicionais de material termoplástico reforçado com carbono de forma que a segunda grade fique alinhada com a primeira grade.

9. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que compreende um segundo revestimento compósito conectado à grade de nervuras e longarinas.

10. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que cada longarina e nervura compreende um elemento inferior tendo uma camada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional formando uma zona de solda inferior.

11. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o segundo revestimento é conectado aos elementos inferiores das nervuras e longarinas.

12. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que a grade formada da pluralidade de elementos isolantes compreende uma pluralidade de aberturas.

13. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das

4 / 14 reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que o termoplástico das primeira à quinta lonas compreende um termoplástico semicristalino na família de poliariletercetona.

14. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada pelo fato de que o termoplástico das lonas reforçadas com fibra de carbono tem uma temperatura de fusão acima de 260 graus Celsius (500 graus Fahrenheit).

15. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizada pelo fato de que os elementos isolantes são configurados de maneira tal que os termoplásticos das primeira à quarta lonas sejam mantidos abaixo de uma temperatura de fusão quando a quinta lona é aquecida a uma temperatura acima da temperatura de fusão por uma cabeça de solda por indução.

16. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizada pelo fato de que o termoplástico da quinta camada tem uma temperatura de fusão e os elementos isolantes são configurados para impedir aquecimento das segunda e terceira camadas acima da temperatura de fusão quando o quinto laminado é exposto a um campo eletromagnético suficiente para elevar uma porção do quinto laminado acima da temperatura de fusão.

17. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizada pelo fato de que o termoplástico da quinta camada tem um ponto de fusão e os elementos isolantes são configurados para impedir que o termoplástico das primeira à quarta camadas se funda quando a quinta camada é soldada nos elementos superiores das nervuras e longarinas por soldagem por indução.

18. Aeroestrutura compósita, caracterizada pelo fato de que compreende: uma pluralidade de longarinas longitudinalmente alongadas;

5 / 14 uma pluralidade de nervuras alongadas conectadas à pluralidade de longarinas para formar uma grade; um revestimento compósito, compreendendo: uma pluralidade de camadas estruturais, cada uma formada de lâminas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono; uma pluralidade de elementos isolantes formados de material eletricamente isolante, em que os elementos isolantes formam uma pluralidade de grades isolantes em que as grades isolantes são alinhadas entre si e em que as grades isolantes são dispostas entre as camadas estruturais; uma camada de solda formada de lâmina termoplástica reforçada com fibra de carbono; uma pluralidade de elementos de conexão compreendendo uma camada de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional, em que cada elemento de conexão é conectado a uma das longarinas ou uma das nervuras; em que as fibras de carbono da camada de solda são orientadas em uma primeira direção e as fibras de carbono dos elementos de conexão são orientadas em uma segunda direção transversal à primeira direção; em que a camada de solda se sobrepõe e é conectada aos elementos de conexão.

19. Aeroestrutura compósita de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que a camada de solda e os elementos de conexão compreendem material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional.

20. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 18 ou 19, caracterizada pelo fato de que cada elemento isolante compreende fibras de vidro embutidas em uma matriz de material termoplástico.

21. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 20, caracterizada pelo fato de que os elementos isolantes

6 / 14 compreendem uma pluralidade de isoladores de longarina alongados sobrepondo as longarinas.

22. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que os elementos isolantes compreendem uma pluralidade de isoladores de nervura alongados sobrepondo as nervuras, em que os isoladores de nervura têm um comprimento que é menor que o comprimento dos isoladores de longarina.

23. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 22, caracterizada pelo fato de que os isoladores de nervura se estendem entre os isoladores de longarina sem se sobreporem substancialmente aos isoladores de longarina.

24. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 22 ou 23, caracterizada pelo fato de que os isoladores de longarina são espaçados uns dos outros.

25. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 24, caracterizada pelo fato de que compreende um segundo revestimento compósito conectado à grade de nervuras e longarinas.

26. Aeroestrutura de acordo com a reivindicação 25, caracterizada pelo fato de que uma pluralidade dos conectores conecta o segundo revestimento às nervuras e longarinas.

27. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 26, caracterizada pelo fato de que a grade formada da pluralidade de elementos isolantes compreende uma pluralidade de aberturas.

28. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 27, caracterizada pelo fato de que o termoplástico das camadas estruturais compreende um termoplástico semicristalino na família de poliariletercetona.

29. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 28, caracterizada pelo fato de que o termoplástico das

7 / 14 camadas estruturais tem uma temperatura de fusão acima de 260 graus Celsius (500 graus Fahrenheit).

30. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 29, caracterizada pelo fato de que os elementos isolantes são configurados de maneira tal que os termoplásticos das camadas estruturais sejam mantidos abaixo de uma temperatura de fusão quando a camada de solda é aquecida a uma temperatura acima da temperatura de fusão por uma cabeça de solda por indução.

31. Aeroestrutura de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 29, caracterizada pelo fato de que o termoplástico da camada de solda tem um ponto de fusão e os elementos isolantes são configurados para impedir que o termoplástico das camadas estruturais se funda quando a camada de solda é soldada nos elementos de conexão por soldagem por indução.

32. Laminado compósito para uso em uma aeroestrutura, caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de camadas estruturais, cada uma formada de lâminas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono unidirecional em que a direção de fibra de pelo menos algumas das camadas estruturais é transversal à direção de fibra de uma camada estrutural adjacente; uma pluralidade de elementos isolantes formados de material eletricamente isolante, em que os elementos isolantes formam uma pluralidade de grades isolantes em que as grades isolantes são alinhadas entre si e em que as grades isolantes são embutidas nas camadas estruturais entre camadas estruturais adjacentes às quais a direção de fibra das camadas de fibra de carbono são transversais; uma camada de solda formada de lâmina termoplástica reforçada com fibra de carbono.

33. Laminado compósito de acordo com a reivindicação 32,

8 / 14 caracterizado pelo fato de que as lâminas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono compreendem lâminas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono unidirecional.

34. Laminado compósito de acordo com a reivindicação 32 ou 33, caracterizado pelo fato de que cada elemento isolante compreende fibras de vidro embutidas em uma matriz de material termoplástico.

35. Laminado compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 32 a 34, caracterizado pelo fato de que os elementos isolantes compreendem uma pluralidade de primeiros isoladores alongados tendo uma largura e um comprimento e o comprimento é substancialmente maior que a largura.

36. Laminado compósito de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo fato de que os elementos isolantes compreendem uma pluralidade de segundos isoladores alongados em que os segundos isoladores têm um comprimento que é menor que o comprimento dos primeiros isoladores.

37. Laminado compósito de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que os segundos isoladores se estendem entre os primeiros isoladores sem sobrepor substancialmente os primeiros isoladores.

38. Laminado compósito de acordo com a reivindicação 36 ou 37, caracterizado pelo fato de que os primeiros isoladores são espaçados uns dos outros.

39. Laminado compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 32 a 38, caracterizado pelo fato de que a grade formada da pluralidade de elementos isolantes compreende uma pluralidade de aberturas.

40. Laminado compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 32 a 39, caracterizado pelo fato de que o termoplástico das camadas estruturais compreende um termoplástico semicristalino na família de poliariletercetona.

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41. Laminado compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 32 a 40, caracterizado pelo fato de que o termoplástico das camadas estruturais tem uma temperatura de fusão acima de 260 graus Celsius (500 graus Fahrenheit).

42. Laminado compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 32 a 41, caracterizado pelo fato de que os elementos isolantes são configurados de maneira tal que o termoplástico das camadas estruturais seja mantido abaixo de uma temperatura de fusão quando a camada de solda é aquecida a uma temperatura acima da temperatura de fusão por uma cabeça de solda por indução.

43. Laminado compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 32 a 42, caracterizado pelo fato de que o termoplástico da camada de solda tem um ponto de fusão e os elementos isolantes são configurados para impedir que o termoplástico das camadas estruturais se funda quando a camada de solda é soldada a um elemento termoplástico separado.

44. Laminado compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 32 a 43, caracterizado pelo fato de que as camadas estruturais compreendem uma pluralidade de pares de camadas termoplásticas reforçadas com carbono unidirecionais, em que cada um dos pares compreende camadas sobrepostas adjacentes nas quais a direção de fibra das fibras de carbono é substancialmente paralela.

45. Laminado compósito de acordo com a reivindicação 44, caracterizado pelo fato de que uma das grades de elementos isolantes é disposta entre pares adjacentes de camadas estruturais.

46. Método para formar uma caixa de asa compósita, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: prover uma pluralidade de longarinas; conectar uma pluralidade de nervuras à pluralidade de

10 / 14 longarinas; formar um revestimento compósito, compreendendo: uma pluralidade de camadas estruturais, cada uma formada de lâminas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono; uma pluralidade de camadas isolantes cada uma formada de uma pluralidade de elementos isolantes eletricamente espaçados, em que cada elemento isolante tem um comprimento e uma largura e o comprimento é substancialmente maior que a largura, em que as camadas isolantes são alinhadas entre si e são dispostas entre as camadas estruturais, em que as camadas isolantes são configuradas de forma que os elementos isolantes se sobreponham as longarinas e nervuras quando o revestimento compósito se sobrepõe às longarinas e nervuras; uma camada de solda formada de lâmina termoplástica reforçada com fibra de carbono; posicionar o revestimento compósito sobre as nervuras e longarinas de forma que as camadas do revestimento compósito se sobreponham às nervuras e longarinas; soldar o revestimento compósito nas nervuras e longarinas, em que a etapa de soldar compreende a etapa de transportar uma cabeça de solda por indução sobre o laminado compósito adjacente às nervuras e longarinas de forma que a cabeça de solda por indução imponha um campo eletromagnético através do laminado compósito de forma que a camada de solda seja aquecida acima da temperatura de fusão do termoplástico na camada de solda enquanto as camadas isolantes impedem o aquecimento das camadas estruturais acima da temperatura de fusão do termoplástico.

47. Método de acordo com a reivindicação 46, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de conectar uma pluralidade de elementos de conexão às nervuras e às longarinas em que cada elemento de conexão compreende uma camada de termoplástico reforçado com fibra de

11 / 14 carbono unidirecional, em que a etapa de soldar compreende soldar a camada de solda nos elementos de conexão.

48. Método de acordo com a reivindicação 47, caracterizado pelo fato de que as fibras de carbono da camada de solda são orientadas em uma primeira direção e as fibras de carbono dos elementos de conexão são orientadas em uma segunda direção, em que a etapa de conectar uma pluralidade de conectores compreende conectar os conectores de forma que a segunda direção seja transversal à primeira direção.

49. Método de acordo qualquer uma das reivindicações 46 a 48, caracterizado pelo fato de que a etapa de prover um laminado compósito tendo uma pluralidade de camadas isolantes compreende arranjar a pluralidade de elementos isolantes em uma grade.

50. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 46 a 49, caracterizado pelo fato de que a etapa de prover um laminado compósito tendo uma pluralidade de camadas isolantes compreende arranjar a pluralidade de elementos isolantes de forma que uma pluralidade de aberturas seja formada entre os elementos isolantes.

51. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 46 a 50, caracterizado pelo fato de que a etapa de formar um revestimento compósito compreende prover pares das camadas estruturais em que cada camada de um par de camadas estruturais é adjacente e diretamente conectada à outra camada estrutural do par e as duas camadas em um par são orientadas de forma que as fibras em ambas as camadas fiquem substancialmente paralelas, em que pares adjacentes de camadas estruturais são orientados de forma que as fibras em um par fiquem transversais às fibras no par adjacente.

52. Método de acordo com a reivindicação 51, caracterizado pelo fato de que o método para prover camadas isolantes compreende dispor uma camada isolante entre um par e o par adjacente.

53. Método de acordo com a reivindicação 52, caracterizado

12 / 14 pelo fato de que o método para prover camadas isolantes compreende dispor uma camada isolante entre cada par adjacente de camadas estruturais.

54. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 46 a 53, caracterizado pelo fato de que o revestimento compósito tem uma superfície superior e uma superfície inferior, em que a camada de solda forma a superfície inferior, em que a etapa de transportar uma cabeça de indução compreende transportar a cabeça de indução acima da superfície superior.

55. Método para formar um laminado compósito para uma aeroestrutura, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: prover uma pluralidade de camadas estruturais, cada uma formada de lâminas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono; prover uma pluralidade de elementos isolantes formados de material eletricamente isolante, em que cada elemento isolante tem um comprimento e uma largura e o comprimento é substancialmente maior que a largura; criar uma pluralidade de camadas isolantes, em que cada camada é formada pela etapa de arranjar os elementos isolantes em um padrão no qual uma pluralidade dos elementos isolantes fica espaçados uns dos outros; posicionar as camadas isolantes entre as camadas estruturais, em que a etapa de posicionar compreende alinhar o padrão em cada camada de isolamento; em que as camadas estruturais são arranjadas de forma que a camada inferior forme uma camada de solda; consolidar a pluralidade de camadas estruturais e as camadas isolantes pelo aquecimento das camadas e aplicação de pressão para formar um laminado compósito com as camadas isolantes embutidas nas camadas estruturais.

56. Método de acordo com a reivindicação 55, caracterizado

13 / 14 pelo fato de que a etapa de arranjar compreende arranjar uma pluralidade dos elementos isolantes de forma que os elementos isolantes se estendam entre a pluralidade de elementos isolantes espaçados.

57. Método de acordo com a reivindicação 55 ou 56, caracterizado pelo fato de que a etapa de arranjar compreende arranjar os elementos isolantes de forma que existam lacunas entre os separados dos elementos isolantes.

58. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 55 a 57, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: posicionar o laminado consolidado sobre uma camada de conexão de material termoplástico reforçado com fibra de carbono unidirecional de forma que a direção de fibras na camada de solda fique transversal às fibras na camada de conexão; e induzir um campo eletromagnético através da espessura do laminado e da camada de conexão para aquecer a camada de solda e a camada de conexão suficientemente para soldar a camada de solda e camada de conexão uma na outra.

59. Método de acordo com a reivindicação 58, caracterizado pelo fato de que a etapa de induzir um campo eletromagnético compreende transportar uma bobina de indução sobre o laminado seguindo o padrão das camadas de isolamento.

60. Método de acordo com a reivindicação 58 ou 59, caracterizado pelo fato de que a etapa de induzir um campo eletromagnético compreende a etapa de concentrar o campo eletromagnético na largura dos elementos de isolamento.

61. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 58 a 60, caracterizado pelo fato de que a camada de conexão é rigidamente conectada a uma aeroestrutura de forma que a etapa de induzir um campo eletromagnético solde o laminado na camada de conexão para conectar

14 / 14 fixamente o laminado à aeroestrutura.

62. Método de acordo com a reivindicação 61, caracterizado pelo fato de que a aeroestrutura compreende uma pluralidade de elementos estruturais formando um padrão, em que o método compreende alinhar o padrão dos elementos estruturais com o padrão das camadas isolantes.

63. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 55 a 62, caracterizado pelo fato de que a etapa de arranjar os elementos isolantes em um padrão compreende arranjar a pluralidade de elementos isolantes em uma grade.

64. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 55 a 63, caracterizado pelo fato de que a etapa de arranjar os elementos isolantes em um padrão compreende arranjar os elementos isolantes de forma que uma pluralidade de aberturas seja formada entre os elementos isolantes.

65. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 55 a 64, caracterizado pelo fato de que a etapa de prover uma pluralidade de camadas estruturais compreende a etapa de prover pares de camadas estruturais de material reforçado com fibra de carbono unidirecional em que cada camada de um par é adjacente e diretamente conectada à outra camada do par e as duas camadas em um par são orientadas de forma que as fibras em ambas as camadas fiquem substancialmente paralelas, pares adjacentes de camadas estruturais são orientados de forma que as fibras em um par fiquem transversais às fibras no par adjacente.

66. Método de acordo com a reivindicação 65, caracterizado pelo fato de que o método para prover camadas isolantes compreende dispor uma camada isolante entre um par e o par adjacente.

67. Método de acordo com a reivindicação 66, caracterizado pelo fato de que o método para prover camadas isolantes compreende dispor uma camada isolante entre cada par adjacente de camadas estruturais.