"MÉTODO PARA A FORMAÇÃO DE UM OBJETO TRANÇADO COM CAMADAS MÚLTIPLAS E OBJETO TRANÇADO COM CAMADAS MÚLTIPLAS" Antecedentes da Invenção Campo da Invenção A presente invenção refere-se a formatos reforçados, simétricos e assimétricos, fora de eixo e aos métodos para formar formatos simétricos e assimétricos com estruturas trançadas sem costura e reforçadas fora de eixo.
Antecedentes da invenção Domos de radar são alojamentos usados na indústria aeroespacial os quais podem abrigar antenas, radares, ou dispositivos similares a partir do ambiente que os cercam. Por exemplo, um domo para radar pode ser usado para proteger uma antena a partir de ventos fortes, formação de gelo e/ou temperaturas extremas em uma área que circunda o dispositivo. Sem a devida proteção, os dispositivos conforme os acima mencionados se tornam vulneráveis aos efeitos adversos da chuva, do calor, da corrosão, da pressão e de outros tipos de danos, dependendo do local onde o dispositivo é usado.
Tipicamente, o domo para radar usado nas aplicações aeroespaciais tem um formato de eixo assimétrico ou simétrico usualmente na forma de um cone, hemisférico, parabolóide de revolução, ou meio elipsóide de revolução. Entretanto, o domo para radar com estes formatos falham no que diz respeito a atender aos requisitos de seção transversal dos radares (Radar Cross Section requirements = RCS) impostos por algumas agências governamentais. Isto é, embora a técnica anterior de domo para radar tenha abrigado adequadamente o conjunto do dispositivo, devido ao seu formato geométrico, o domo para radar tem um alto RCS e assim sendo pode ser facilmente detectado por radares.
Infelizmente, os materiais de absorção de radar não podem, geralmente, ser usados em conjunto com o domo para radar por causa do fato que estes materiais podem interferir com a transmissão e com a recepção de sinais pelos componentes alojados no interior do domo para radar. Por exemplo, em algumas aplicações aeroespaciais um domo para radar protege os dispositivos inclusos a partir de danos causados por forças aerodinâmicas e meteorológicas, enquanto ao mesmo tempo permite a transmissão e a recepção do radar, assim como previne os dispositivos a partir de perturbações das características aerodinâmicas do veículo no ar sobre o qual o domo para radar está montado. A interferência nos sinais transmitidos para, ou a partir de tais dispositivos tornariam os dispositivos inúteis. [04] Um outro problema de desenho encarado pela indústria aeroespacial no que diz respeito a um domo para radar é o fato que os materiais usados para construir um domo para radar deve ter propriedades dielétricas suficientemente baixas de tal maneira que não interfira com os sinais transmitidos. [05] Adicionalmente, as propriedades dielétricas do material devem ser uniformes por causa do fato que as propriedades dielétricas não uniformes afetam as transmissões de entrada ou as transmissões de saída do domo para radar de uma forma adversa. Por exemplo, o domo para radar tipicamente tem uma estrutura composta. Esta estrutura composta usualmente consiste de fibra de vidro ou de quartzo pré-formada com um material matriz que é um polímero que tem propriedades dielétricas baixas. O domo para radar deste tipo pode ser construído usando um molde de transferência de resina ou pela montagem manual de pré-cavilhas de fibra de vidro. O termo "pré-cavilha" é usado para descrever uma composição ou uma fita uni direcional que é pré-impregnada com uma resina polimérica. A construção de pré-formas a partir de partes moldadas com transferência de resina pode ser realizada, por exemplo, por meio do corte e da costura de pregas de fibra de vidro, de tear formatado, de tear polar e de tear de Jacquard (tear de lançadeira). Entretanto, estas técnicas consomem muito tempo e tem uma desvantagem significativa que é o fato que o domo para radar produzido por tais métodos resultarão em pelo menos uma costura a qual é freqüentemente a fonte de falhas de tais estruturas quando as mesmas são expostas ou sujeitas a condições extremas. As costuras também são algo indesejado em um domo para radar devido ao fato que as características dielétricas se tornam não uniformes na área da costura e, portanto podem afetar adversamente a transmissão e a recepção de sinais. [06] As técnicas tridimensionais de tear de Jacquard podem, todavia, ser usada na construção de um domo para radar. Com estas técnicas é possível construir uma pré-forma similar a uma meia a partir de uma peça de tecido. Este tipo de pré-forma similar a uma meia é vantajoso uma vez que a mesma não tem costura, assim sendo eliminando os problemas significativos associados com uma costura. Na configuração básica de tear, as fibras de lançamento e de preenchimento encontram-se em ângulos retos, uma para a outra, de tal maneira que a fibra de preenchimento contínua é direcionada na direção de preenchimento (90°) e as fibras de lançamento seguem um contorno axial (na direção de 0o) sobre a estrutura final. Em conformidade, uma meia sem costura, de material trançado tridimensional de Jacquard é preferido sobre as outras técnicas. [07] Pela inclusão ou pela exclusão seletiva de parte da fibra de lançamento, estas meias podem formar vários formatos geométricos com ou sem uma extremidade fechada. Elas podem ser trançadas como uma composição de camada simples, todavia, múltiplas meias podem ser formadas, uma sobre a outra, para acumular até a espessura desejada. A pré-forma pode então ser processada em uma estrutura composta usando as técnicas de fabricação previamente discutidas e mencionada. Todavia, o tear de formatos tridimensionais complexos, tal como um formato assimétrico, com as técnicas atuais de tear é um desafio. [08] Num esforço para melhorar a característica secreta de veículos aeroespaciais, foi demonstrado que um domo para radar formatado assimetricamente é preferido uma vez que o mesmo melhora a capacidade de evitar radares dos veículos. Todavia, o advento de um domo para radar com um formato assimétrico apresenta desafios em adição na construção de tais estruturas complexas com um formato tridimensional. Uma solução proposta é o uso de técnicas automatizadas de montagem de fitas, nas quais tiras de pré-pregas de vidro (ou de quartzo) são montadas por sobre um mandril macho. O cabeçote de montagem de fita deve ter vários graus de liberdade, deve aplicar uma pressão consistente e deve ser capaz de posicionar as fitas exatamente lado a lado. Embora tais máquinas encontram-se disponíveis, as mesmas são extremamente caras. [09] Em adição, o domo para radar pode precisar ser reforçado na direção fora de eixo. Por exemplo, há aplicações de domo para radar que requerem uma força de tensão ou uma dureza, preferivelmente próxima à direção de ± 45°. Ainda mais, outras aplicações que requerem uma força de suporte também utilizam um reforço na direção de ± 45° em conjunto com um reforço na direção de 0o e na direção de 90°. O reforço fora de eixo não pode ser alcançado com as técnicas atuais de tear básico porque com as técnicas atuais as fibras de lançamento e de preenchimento encontram-se em ângulos retos, uma em relação à outra, de tal maneira que a fibra contínua de preenchimento é direcionada na direção de preenchimento (90°) e as fibras de lançamento seguem o contorno axial (na direção de 0o) sobre a estrutura final. Portanto, o reforço ao longo das direções de ± 45° não é alcançado. [10] Há duas propostas convencionais para adicionar um reforço fora de eixo. Uma proposta é cortar um tecido bidimensional sobre um bias. Estas pregas fora de eixo requerem um trabalho manual significativo, e introduz uma costura que não preserva a integridade similar a um tubo da meia de 0o / 90° e, conforme previamente declarado, afeta a integridade estrutural e as propriedades dielétricas do domo para radar de uma maneira adversa. Todavia, estas pregas fora de eixo podem ser usadas nas pré-formas com um tamanho muito grande. A segunda proposta é usar uma meia entrelaçada. Esta proposta preserva a natureza similar a um tubo da pré-forma, mas há um limite no que diz respeito ao tamanho da pré-forma. Ainda mais, esta proposta não proporciona um reforço de preenchimento (90°) verdadeiro. [11] Portanto, há a necessidade de um método viável e econômico para formar objetos com um formato simétrico e com um formato assimétrico com um reforço fora de eixo.
Sumário da Invenção [12] De acordo coma presente invenção, é proporcionado um dispositivo para dispor um reforço fora de eixo sobre um objeto trançado. O dispositivo compreende um mandril fixo e um mandril rotativo. O mandril rotativo gira em relação ao mandril fixo. Uma porção do objeto trançado pode ser grampeada ao mandril fixo enquanto uma segunda porção do objeto trançado pode ser grampeada ao mandril rotativo. Quando rotado, o mandril rotativo faz com que as fibras de lançamento no objeto trançado torçam fora da direção de 0o até um grau desejado enquanto as fibras de preenchimento permanecem substancialmente em paralelo a direção de 90°. [13] Um outro aspecto da presente invenção é um método para formar um objeto trançado com um reforço fora de eixo. O método inclui o intertrançar de uma pré-forma com fibras de lançamento substancialmente alinhadas em paralelo com a direção de 0o e as fibras de preenchimento substancialmente alinhadas com a direção de 90° (direção de preenchimento). Uma vez completa, a pré-forma é torcida restringindo uma primeira porção da pré-forma em relação a uma segunda porção da pré-forma. Esta torção permite com que as fibras de lançamento torçam para fora da direção de 0o enquanto as fibras de preenchimento permaneçam substancialmente em paralelo com a direção de 90°. [14] Um aspecto em adição da presente invenção é a formação de um objeto trançado simétrico com uma pluralidade de fibras de lançamento e de preenchimento, o qual é então formado em um objeto de formato assimétrico. [15] Outras características e outras vantagens de acordo com a presente invenção se tornarão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada das realizações ilustradas quando lidas em conjunto com os desenhos acompanhantes nos quais os componentes correspondentes são identificados pelas mesmas referências numéricas.
Breve Descrição dos Desenhos [16] Para um entendimento mais completo da invenção, se faz referência a seguinte descrição e aos desenhos acompanhantes, nos quais: [17] a Fig. 1 é uma vista plana de uma pré-forma simétrica; [18] a Fig. 2 é uma vista plana da pré-forma simétrica posicionada sobre um gabarito antes de torcer de acordo com um aspecto da presente invenção; [19] a Fig. 3 é uma vista plana da pré-forma simétrica da Fig. 2 depois de torcer; [20] a Fig. 4a é uma vista plana do gabarito de rotação da Fig. 2; [21] a Fig. 4b é uma vista de superior do gabarito de rotação da Fig. 4a. [22] a Fig. 5 é uma vista de seção transversal do gabarito de rotação da Fig. 4b a cerca da linha A - A. [23] a Fig. 6a é uma pré-forma de formato simétrico de acordo com um aspecto da presente invenção. [24] a Fig. 6b é uma pré-forma de formato assimétrico de acordo com um outro aspecto da presente invenção; [25] a Fig 7 representa círculos inter-seccionados usados para obter um formato assimétrico conforme é mostrado na Fig. 6b. [26] a Fig. 8 mostra um formato assimétrico resultante dos círculos inter seccionados da Fig. 7; [27] a Fig. 9 mostra a circunferência resultante do formato simétrico que é usado para obter o formato assimétrico; [28] a Fig. 10 é uma vista plana de uma pré-forma com um formato simétrico de acordo com uma realização da presente invenção; e [29] a Fig. 11 é uma vista plana de uma pré-forma com um formato assimétrico de acordo com uma realização da presente invenção.
Descrição Detalhada da Realização Preferida [30] De acordo com um aspecto da presente invenção, conforme representado na Fig. 1, uma pré-forma 10 com um formato simétrico similar ao de uma meia, a qual pode ter uma parte final aberta ou fechada, inclui fibras de lançamento 12 substancialmente em paralelo a direção de 0o, 16, e as fibras de preenchimento , 14, substancialmente em paralelo a direção de 90° ou na direção de preenchimento 18. Conforme usado, as fibras de preenchimento ou as fibras de preenchimento e a direção de 90° referem-se às fibras e a direção que se encontram na circunferência em volta da pré-forma, enquanto as fibras de lançamento e as fibras na direção de 0o encontram-se em perpendicular as fibras de preenchimento da pré-forma. A pré-forma com um formato simétrico 10 pode ser trançada usando um tear tridimensional convencional de Jacquard. As fibras de lançamento e de preenchimento podem ser fibras de qualquer um dos tipos usados para trançar pré-formas. Em adição, as fibras podem ser pré-impregnadas com uma resina polimérica. [31] Com referência a Fig. 2, uma pré-forma 10 com um formato simétrico é posicionada por sobre um mandril fixo 20 com as fibras de lançamento 12 direcionadas substancialmente em perpendicular ao mandril rotativo 22 e as fibras de preenchimento 14 são direcionadas substancialmente em paralelo ao mandril rotativo 22. A Fig. 4 a mostra o gabarito especialmente desenhado 25 usado para conseguir um reforço fora de eixo. Uma seção transversal através do gabarito 25 acerca da linha A - A na Fig. 4b é mostrado na Fig. 5. 0 gabarito 25 tem duas partes principais, um mandril fixo 24 e um mandril rotativo 22. A pré-forma com um formato simétrico 10 é grampeada na porção superior 28 do mandril fixo 24 e na porção inferior 30 do mandril rotativo 22. [32] Com o objetivo de melhorar a rigidez estrutural e a força da pré-forma, é desejável cizalhar ou torcer as fibras de lançamento 12 para conseguir o reforço fora de eixo. [33] 0 cisalhamento e o formato requerido é conseguido pela torção da pré-forma com um formato simétrico 10 sobre um gabarito rotativo 25 o qual tem um formato que é aquele do objeto final requerido. Na Fig. 3, depois que o mandril rotativo 22 é rotado, as fibras de lançamento 12 torcem para fora da direção de 0o, 16, e não são mais substancialmente perpendiculares a base do mandril rotativo 22. Todavia, as fibras de preenchimento 14 permanecem substancialmente paralelas à base do mandril rotativo 22 na direção de 90°, 18. 0 conceito básico é cizalhar a meia de 0o / 90° de tal maneira que o reforço axial, na direção de 0 o ou as fibras de lançamento 12, torçam até o ângulo fora de eixo desejado enquanto as fibras de preenchimento 14 permanecem substancialmente na direção de 90°. [34] Uma vez torcidas, conforme as fibras de lançamento cizalham para fora da direção de 0o, o comprimento da pré-forma 10 será encurtado. Com o objetivo de compensar este encurtamento da pré-forma 10, o eixo 32 do mandril rotativo 22 é liberado para mover para cima ou para baixo em um orifício 34 através do centro do mandril fixo 24 conforme é mostrado na Fig. 4b. [35] O encurtamento da pré-forma com um formato simétrico 10 pode ser calculado e pode ser compensado durante o desenho e a construção da pré-forma simétrica 10. [36] Nas composições com um tear apertado, o reforço fora de eixo pode ser obtido para os ângulos com aproximadamente até 20° antes que a pré-forma ou a meia comece a cambar. Com o objetivo de alcançar ângulos maiores do reforço fora de eixo, com aproximadamente uma variação de até 45°, uma composição com um trançado mais aberto pode ser usada, a qual permitirá uma torção em adição da meia, antes de cambar. [37] Uma estrutura composta que utiliza este tipo de pré-forma pode ser formada usando uma técnica de construção equilibrada. Isto é, para toda a prega de 40° há uma prega de -0o. Isto pode ser conseguido pelo pareamento de uma meia que foi torcida em uma primeira direção ou em uma direção negativa, com uma meia que foi torcida em uma segunda direção ou em uma direção positiva. As meias torcidas também podem ser combinadas com meias não torcidas para proporcionar uma pré-forma combinada que tenha um reforço de 0o / 90° assim como um reforço fora de eixo. Estas pré-formas similares a uma meia podem ser combinadas em qualquer combinação ou número conforme for necessário para conseguir o reforço, a espessura e a força requerida do objeto composto final. O resultado é uma pré-forma sem costura tendo propriedades mecânicas aumentadas devido ao reforço em todas as direções quando comparado com as pré-formas não torcidas as quais não têm um reforço fora de eixo. A pré-forma pode então ser processada em uma estrutura composta usando técnicas de fabricação conhecidas tais como uma moldagem de transferência de resina. [38] Uma técnica de trançar tridimensional de Jacquard proporciona um meio economicamente viável de fabricar as pré-formas com um formato simétrico similar a uma meia. Todavia, outras técnicas conhecidas por aqueles indivíduos com especialização na técnica também podem ser usadas sem partir a partir do escopo da presente invenção. [39] A Fig. 6a mostra uma pré-forma com um formato simétrico 36. A Fig. 6b demonstra que a pré-forma com um formato simétrico 36 pode ser transformada em uma pré-forma com um formato assimétrico 38. A pré-forma com um formato simétrico 36 pode ser fabricada para encaixar em um mandril com um formato assimétrico contanto que o comprimento do percurso de preenchimento ou de circunferência da pré-forma com um formato simétrico combine com o comprimento do percurso de preenchimento ou de circunferência do objeto com um formato assimétrico em localizações discretas longitudinais. Por meio de um exemplo, a Fig. 7 demonstra que uma pré-forma com um formato assimétrico 46, também mostrado na Fig. 8, é construído a partir dos elementos de dois círculos inter-seccionados 40. A Fig. 7 e a Fig. 9 demonstram que a soma dos dois comprimentos de percurso inter-seccionados, 42 e 44, dos círculos inter-seccionados 40, igualam ao da circunferência 48 do círculo 50 o qual é uma pré-forma simétrica. [40] A Fig. 10 mostra uma pré-forma com um formato simétrico ou uma meia 50 aparada e ajustada até o formato que foi desenhado para encaixar em um mandril com um formato assimétrico. A Fig. 11 mostra uma pré-forma com um formato simétrico ou uma meia 50 depois da mesma ter sido posicionada sobre um mandril assimétrico que se ajustará aquele formato. Tal pré-forma com um formato assimétrico pode então ser torcida para assumir um reforço fora de eixo. 0 resultado é um objeto com um formato assimétrico com um reforço fora de eixo 52. A pré-forma resultante pode ser ainda mais processada em uma estrutura composta usando as técnicas de fabricação conhecidas tal como uma moldagem de transferência de resina. [41] Em conformidade, foi mostrado que ambos os objetos com um formato simétrico e com um formato assimétrico com reforços fora de eixo podem ser construídos a partir de pré-formas com o formato similar ao de uma meia. [42] Embora uma realização preferida da presente invenção, e as modificações da mesma foram aqui descritas em detalhes, deve ser subentendido que esta invenção não é exatamente limitada a esta realização e a estas modificações, e que outras modificações e outras variações podem se efetuadas por um indivíduo com especialização na técnica sem partir a partir do espírito e do escopo da invenção conforme é definido pelas reivindicações anexas.