"ESTRUTURA ENTRELAÇADA AJUSTÁVEL TUBULAR E MÉTODOS PARA CONSTRUIR E PARA REFORÇAR UMA ESTRUTURA ENTRELAÇADA AJUSTÁVEL TUBULAR" Antecedentes da Invenção Campo da Invenção [01] Em geral a presente invenção é relacionada a, estruturas entrelaçadas e mais particularmente a estruturas entrelaçadas ajustáveis que são caracterizadas por locais axiais e por locais de tensionamento, onde os locais axiais têm um diâmetro maior do que aqueles locais de tensionamento. As estruturas entrelaçadas ajustáveis são matematicamente desenhadas para atender aos requisitos de perímetro e de área da área de afastamento alvo a ser preenchido em uma estrutura.
Antecedentes da Invenção [02] A moldagem por transferência de resina é algo que existe já faz décadas, e o seu uso cresceu consideravelmente nos últimos anos. O processo permite uma fabricação econômica de compostos da mais alta qualidade. O termo "composto" foi usado, principalmente, para definir uma classe de materiais na qual o material matriz, tal como os plásticos (ambos os termocurados e os termoplásticos), os metais, ou as cerâmicas são reforçados pelo fortalecimento das fibras na forma de uma pré-forma. Os compostos são vantajosos uma vez que, a estrutura final exibe as propriedades as quais é uma combinação das propriedades dos materiais constituintes (por exemplo, a fibra reforçada e o material matriz).
[03] De acordo com o processo, um sistema de resina I é transferido com uma baixa viscosidade e com uma baixa pressão no interior de um molde matiz fechado contendo uma pré-forma de fibras secas. As fibras secas, as quais podem ter a forma de uma pré-forma de uma esteira de palha retorcida contínua, unidirecional, trançada ou tricotada, são posicionadas em um molde fechado e a resina é introduzida no interior do molde sob uma pressão ou um vácuo externos. A resina é curada sob a sua própria ação exotérmica, ou calor pode ser aplicado ao molde para completar o processo de cura.
[04] O processo de moldagem por transferência de resina pode ser usado para produzir partes compostas com um baixo custo, que são complexas nos seus formatos. Tipicamente, estas partes proporcionam um reforço de fibra continuo junto com as superfícies controladas pelo alinhamento do lado de dentro do molde e pelo alinhamento do lado de fora do molde. É o posicionamento dos reforços de fibra contínuos em grandes estruturas que estabelece a moldagem por transferência de resina como algo a parte dos outros processos de moldagem com líquidos.
[05] No passado, a moldagem por transferência de resina era usada para as aplicações adequadas aos mercados de produtos para os consumidores. Todavia, nos últimos anos, através do desenvolvimento de sistemas de resina de alta resistência e sistemas de bombeamento mais avançados, a moldagem por transferência de resina avançou para níveis inovadores. Estes desenvolvimentos mais recentes promoveram a tecnologia de moldagem por transferência de resina como uma opção de fabricação prática para os desenhos de compostos de alta resistência, particularmente na indústria aeroespacial.
[06] Na indústria aeroespacial, a vantagem mais visível do processo de moldagem por transferência de resina é baseada na habilidade da moldagem por transferência de resina combinar componentes múltiplos detalhados em uma única configuração. Por exemplo, vários desenhos tradicionais consistem de vários detalhes individuais que são combinados como uma sub conjunto. Usualmente, estas sub montagens requerem uma açâo de calçar, uma ligação, uma fixação mecânica e uma escamação trabalhosa. Consequentemente, estas sub montagens demonstram uma variabilidade de parte por parte alta, devido ao acúmulo de tolerância.
[07J A moldagem por transferência de resina produz superfícies suaves e planas. Sendo um produto do molde, isto faz com que a qualidade da superfície da parte produzida no interior dc molde seja comparável aquela da superfície da ferramenta. A moldagem por transferência de resina também proporciona o controle da razão fibra para resina no produto completado. Esta vantagem produz partes que são de peso leve e que têm uma alta resistência.
[OBJ Todavia, quando os componentes múltiplos detalhados que têm bordas arredondadas são combinados, a concavidade das bordas produz afastamentos que são formados no ponto onde os componentes são ligados juntos. Considere a geometria mostrada nas FigS. IA e 1B, a qual é algo típico dos tipos de seções transversais que frequentemente precisam ser preenchidos com um material "preenchedor de afastamento de raio" durante a construção de um composto de armazenamento. Um método para preencher este volume com fibra é assentar as extremidades individuais da fibra. Todavia, este método pode ser tedioso e ineficiente. Um método alternativo para preencher este volume é usar um componente "preenchedor de afastamento" entrelaçado que mantenha as múltiplas extremidades da fibra ajuntadas em uma única peça. Uma desvantagem desta alternativa é que o preenchedor de afastamento é tipicamente rígido e não é facilmente ajustável nas seções transversais variantes. São disponíveis alguns entrelaçadores especializados os quais podem produzir um material para uma geometria especifica, mas a geometria é então aplicável apenas em uma única aplicação. Os entrelaçados tubulares genéricos são de alguma forma ajustáveis a uma variedade de formas, mas o confinamento geométrico do processo de entrelaçamento torna dificil a obtenção de ambos o volume de fibra correto e o perímetro correto para os formatos côncavos ou os formatos complexos tais como aqueles na Fig. IA e na Fig. 1B.
[09] Por exemplo, considere outra vez a geometria mostrada na Fig. IA onde o comprimento dos lados do afastamento côncavo ou da área 8 a ser preenchido é indicado pelo número 10 e pelo número 12 e o raio do afastamento côncavo ou da área 8 a ser preenchido é indicado pelo número 14. Neste exemplo assuma que o comprimento dos lados 10 e 12 do afastamento côncavo 8 a ser preenchido é de 0.500 polegadas, cada um. Ainda mais, assuma que o raio do afastamento côncavo 8 a ser preenchido e de 0.500 polegadas, cada um. Para que funcione como um preenchedor de afastamento aceitável que será ajustável ao formato do afastamento, um material entrelaçado deve ter aproximadamente a mesma área de seção transversal (0.054 sq. in. = polegada quadrada) e um perímetro (1.785 sq. in.) como o afastamento côncavo 8 na Fig. IA. As Figs. 2A e 2B mostram as duas extremas possibilidades quando da tentativa de produzir um material entrelaçado circular ou estacado para atender ao critério da área e do perímetro da Fig. 1 A. Em um caso, conforme representado na Fig. 2A onde o raio do material entrelaçado 16 é de 0.284 polegada, o perímetro é fixado a 1.785 polegada e a área do material entrelaçado sólido (0.253 polegada) é muito alta. No outro caso, conforme representado na Fig. 2B onde o raio do material entrelaçado 16 é de 0.131 polegada, a área é fixada a 0.054 sq. in. e o perímetro do material entrelaçado sólido (0.283 in) é muito baixo.
[10] Em alguns casos, é possível evitar o dilema acima descrito com materiais entrelaçados estacados convencionais via o uso de mandris. Na verdade, materiais entrelaçados têm a propriedade de ser ajustável aos mandris de várias seções transversais. Todavia, esta capacidade é limitada uma vez que o mandril não pode ter uma geometria côncava. Assim sendo, tipicamente se deve tentar entrelaçar em volta de uma geometria côncava do perímetro alvo, então deformar este perímetro até o formato côncavo desejado depois do entrelaçamento. Todavia, a área limitada pelo material entrelaçado convexo inicial anteriormente a deformação será sempre mais alta do que a área alvo da geometria côncava. Isto é mostrado na Fig. 3 pela seção circular transversal de uma bainha de material entrelaçado a cerca de um núcleo sub dimensionado 18 com um perímetro idealizado mas também tendo uma área de espaço vazio interna alta 24. De uma maneira oposta ao material entrelaçado sólido na Fig. 2A na qual a área de fibra é muito ampla, o material entrelaçado na Fig. 3 mostra um núcleo sólido de fibra 22 apropriadamente dimensionado para atender o requerimento da área. Qualquer tentativa para preencher a área de espaço vazio 24 entre o núcleo sólido da fibra 22 e a bainha de material entrelaçado 20 com fibras unidirecionais seria uma futilidade, uma vez que o núcleo simplesmente "cairia para fora" da bainha.
[11] A patente norte-americana No. 6.231.941 revela um preenchedor de raio ou de afastamento para preencher as áreas côncavas conforme é representado nas Figs. IA e 1B. Conforme é revelado, uma manga de material entrelaçado envolve um número de ,mech.as unidirecionais (filamentos não torcidos) . O núcleo das mechas unidirecionais pode ser de uma seção uniforme transversal ou pode ser variado em uma seção transversal ao longo do seu comprimento de tal maneira a fim de encaixar em um afastamento em particular. O preenchedor de raio é formado sobre um mandril que inclui uma superfície contornada que é substancialmente do mesmo formato conforme representado na Fig. IA ou na Fig. 1B. A manga de material entrelaçado é entrelaçada em volta das mechas unidirecionais e é então embebida em um envernizador. A manga do material entrelaçado com as mechas unidirecionais na mesma é então posicionada sobre a superfície do mandril e é ensacada a vácuo sob uma bexiga. O preenchedor de raio ensacado é então posicionado em uma autoclave e é aplicado calor até que o envernizador sobre a manga de material entrelaçado é pró-curado ou semi endurecido. Uma vez que o envernizador é apenas semi endurecido, o mesmo atua como um agente de ligação para manter a consolidação e a configuração da manga entrelaçada até que a moldagem por transferência final do componente a ser preenchido seja desempenhada. Todavia este processe requer mandris especialmente desenhados para construir o preenchedor de afastamento específico requerido, algo que é um processo que consome muito tempo, é muito trabalhoso e é caro.
[12] Em conformidade, há uma necessidade de um preenchedor de afastamento de material entrelaçado que possa ser desenhado de tal maneira que seja ajustável aos afastamentos com as seções transversais variantes, que possa ser construído usando as técnicas de entrelaçamento convencionais.
[13] Sumário da invenção [14] É o objetivo da presente invenção proporcionar uma estrutura tubular que seja ajustável a afastamentos côncavos ou a formatos complexos.
[15] A presente invenção é direcionada a uma estrutura tubular a qual inclui uma pluralidade de locais axiais em uma relação circular, um para o outro, e uma pluralidade de locais de tensionamento que inter conectam os locais axiais para formar uma estrutura tubular. Os locais axiais da estrutura tubular têm um diâmetro maior do que o diâmetro dos locais de tensionamento.
[16] Um outro aspecto da presente invenção está relacionado a um método para formar um material entrelaçado ajustável. O método inclui calcular o perímetro e a área do afastamento que deve ser preenchido pelo material entrelaçado. A seguir, com base no perímetro e na área do afastamento, o número de transportadores sobre um material entrelaçado e o diâmetro das raechas axiais circulares são calculados. Uma vez que estes cálculos são completados, o material entrelaçado ajustável é fabricado com uma pluralidade de mechas axiais que formam a bainha do material entrelaçado. Uma vez que a bainha resultante do material entrelaçado foi desenhada com base nos requisitos de perímetro e de área do afastamento a ,ser preenchido, uma vez ajustado, o afastamento é preenchido pelo material entrelaçado.
[17] Um aspecto em adição da presente invenção está relacionado a um método para reforçar uma estrutura trançada. O método inclui proporcionar uma estrutura tubular com uma pluralidade de locais axiais em uma relação circular, um para o outro, e uma pluralidade de locais de tensionamento interconectando os locais axiais para formar a estrutura tubular. Os locais axiais da estrutura tubular têm um diâmetro o qual é maior do que o diâmetro dos locais de tensionamento. Uma vez proporcionada, a estrutura tubular é inserida e é ajustada a pelo menos uma superfície da estrutura trançada a ser reforçada. Finalmente a combinação da estrutura trançada e da estrutura tubular é impregnada com um material de resina.
Breve Descrição dos Desenhos [18] A seguinte descrição detalhada, fornecida por meio de exemplos e sem intenção alguma de limitar a presente invenção apenas a isto, será mais bem apreciada em conjunto com os desenhos acompanhantes, nos quais os referenciais numéricos similares denotam elementos e partes similares nos quais: [19] A Fig. IA representa um afastamento côncavo a ser preenchido com fibras.
[20] A Fig. 1B representa um afastamento complexo a ser preenchido com fibras que é formado quando as estruturas curvas são ajuntadas.
[21] A Fig. 2 A representa um material entrelaçado circular sólido conhecido com um perímetro igual ao perímetro do afastamento a ser preenchido na Fig. IA.
[22] A Fig. 2B representa um material entrelaçado circular sólido conhecido com uma área igual à área do afastamento a ser preenchido na Fig. IA.
[23] A Fig. 3 representa uma bainha de material entrelaçado com um núcleo sólido sub dimensionado que atende a ambos os requisitos de área e de perímetro do afastamento a ser preenchido na Fig. IA.
[24] A Fig. 4 representa um aspecto da presente invenção com os locais axiais sobre dimensionados.
[25] A Fig. 5 representa um material entrelaçado ajustável, de acordo com uma realização da presente invenção.
[2 6] A Fig. 6 representa um desenho tri axial padrão de acordo com uma técnica anterior [27] A Fig. 7 representa locais axiais adjacentes de material não entrelaçado ou mechas durante o rolamento de acordo com uma realização da presente invenção; e [28] A Fig. 8 representa locais axiais adjacentes de material entrelaçado ou mechas durante o rolamento de acordo com uma realização da presente invenção.
Descrição Detalhada da Realização Preferida [29] Conforme previamente descrito e ilustrado nas Figs. 2A e 2B, é difícil e quase impossível desenhar uma estrutura tubular de material entrelaçado convencional que atenda ambos os requisitos de área e os requisitos de perímetro dos afastamentos côncavos ou dos formatos complexos representados nas Figs. IA e 1B. Previamente, com o objetivo de atender ambos os requisitos de área e os requisitos de perímetro de um afastamento complexo, uma estrutura 18 consistindo de uma bainha de um material entrelaçado 20 envolta em um núcleo de fibra sólido sub dimensionado 22, era construída conforme representado na Fig. 3. Para satisfazer os requisitos de área e os requisitos de perímetro da Fig. IA, o raio 26 da bainha de material entrelaçado 20 seria de 0.284 polegada e o raio 28 do núcleo de fibra 22 seria de 0.093 polegada. A área do núcleo de fibra sólido 22 satisfaz o requisito de área da Fig. IA e o perímetro da bainha de material entrelaçado 20 satisfaz o requisito do perímetro da Fig. IA. Todavia, conforme é representado na Fig. 3, uma área de espaço vazio 24 é criada entre o núcleo de fibra sólida 22 e a bainha de material entrelaçado 20. Qualquer tentativa para preencher a área de espaço vazio 24 seria algo fútil uma vez que o núcleo de fibra sólida 22 simplesmente "precipitaria" da bainha 20. Isto podería causar uma falha na laminação da estrutura composta finalizada.
[30] Portanto, a presente invenção está relacionada a uma estrutura tubular 32 compreendida de mechas axiais circulares, amplas, não entrelaçadas ou locais 30 conforme é representado na Fig. 4. As mechas axiais 30 são fabricadas com um material de núcleo usado para o núcleo de fibra sólido 22 na Fig. 3. Pela movimentação do material de núcleo de fibra 22 para os locais axiais 30 do material entrelaçado conforme representado na Fig. 4, o material entrelaçado ajustável 32 agora consiste de uma bainha 34 sem um núcleo. Só a área de fibra dos locais axiais ou das mechas 30 satisfaz todo o requisito de área do afastamento a ser preenchido representado na Fig. IA. Ainda mais, o diâmetro destes locais axiais 30 foi controlado de tal maneira que o perímetro do material entrelaçado pode ser exatamente previsto. O raio 36 do material entrelaçado 32 é de 0.284 polegada. Conforme demonstrado pela Fig. 3, ambos a área de fibra axial e o perímetro do material entrelaçado ajustável 32 na Fig. 4 estão de acordo com o alvo definido na Fig. IA. Daí portanto, o material entrelaçado ajustável pode ser usado para preencher um afastamento alvo ou um formato complexo e reforçar uma estrutura.
[31] A relação matemática da área e do perímetro do afastamento ou do formato complexo a ser preenchido é mostrada abaixo para o caso simplificado de uma mecha axial tendo uma seção transversal circular: A = (n/2 ) (IId2/4 ) P = (n/2) d [32] em que: [33] A = área desejada do preenchimento de afastamento.
[34] P = perímetro desejado do preenchimento de afastamento.
[35] n = número de transportadores (parte de uma máquina de entrelaçamento que transporta um grupo de fios ou um fio simples, através do material entrelaçado conforme o mesmo é fabricado) sobre o entrelaçador.
[36] n/2 =< inúmero de locais axiais sobre os· entrelaçadores.
[37] d = diâmetro da mecha axial.
[38] Para uma dada área e para um dado perímetro, as equações (1) e (2) definem o tamanho do material entrelaçado e da mecha axial requeridos.
[39] Usando um exemplo, se os requisitos mostrados na Fig. IA são substituídos nas equações (1) e (2) acima, os valores de "τι/2" e de "d" são calculados e são 4 6.3 polegadas e 0.0385 polegada, respectivamente. Uma vez que os entrelaçadores são encontrados em tamanhos discretos, ajuste o valor de "n/2" para 4 8 o qual corresponde a um entrelaçador transportador de 96 (um tamanho comum). Agora usando a equação (2) acima mencionada e um "n/2" igual a 48, re calcule "d" 31 para ser 0.037 polegada. A Fig. 5 mostra a seção transversal axial do transportador 96 de material entrelaçado 32 definido por este exemplo. O tamanho das mechas axiais 30 se tornaram algo representativo daquilo que poderia ser conseguido usando uma única extremidade de um carbono 12K comercialmente disponível.
[40] A Fig. 6 representa um desenho de uma técnica anterior usando um entrelaçador do mesmo tamanho e uma construção tri axial padrão. Apenas por uma questão de simplicidade as seções transversais de mecha axial 30 são mostradas. Para que haja espaço para as fibras de tensionamento dimensionadas de uma maneira similar que devem percorrer sobre e sob ou, de uma outra maneira, em volta do material axial ou das mechas 30 na Fig. 6, um espaçamento 38 deve existir entre as mechas axiais 30 conforme é mostrado. Subseqüentemente, para que a circunferência do material entrelaçado esteja próxima do valor alvo, o tamanho das mechas axiais 30 na Fig. 6 deve ser menor do que aqueles mostrados na Fig. 5. Daí portanto, foi demonstrado que um material entrelaçado padrão equivalente ao material entrelaçado ajustável não satisfaz o critério de ter a maioria das suas fibras pesadas na direção axial. A Fig. 6 representa a seção transversal de uma fibra sólida 22 que ainda seria requerida no núcleo do material entrelaçado para satisfazer o requerimento de área da Fíg. IA. Conforme na Fig. 3, pode ser visto que o volume de espaço vazio 24 no interior desta seção transversal é significativamente mais alto do que o tamanho do núcleo, de tal maneira que nâo é provável que o núcleo e a bainha se comportem como um componente simples conforme é o caso com a estrutura de material entrelaçado ajustável. Isto representa um problema em ambos os termos de manuseio e quando da probabilidade da ocorrência de uma falha na iaminação entre o núcleo e a bainha no composto. (41] É possível formar uma estrutura similar aquela da Fig. 3 usando um material entrelaçado tri axial tradicional. Todavia, o fator único e sem igual do conceito de material entrelaçado ajustável é que quase todo o volume de fibra requerido encontra-se na forma das mechas ou das fibras axiaís. Assim sendo, a fibra de tensionamento que mantém o material entrelaçado ajustável ajuntado é extremamente pequena em uma seção transversal em relação à fibra axial. A função da fibra axial neste caso é manter juntas e de uma maneira folgada as mechas axiais de tal maneira que o local de material entrelaçado ajustável tenha a vantagem de ser uma simples peça que é facilmente manuseada, mas que ao mesmo tempo tenha uma alta percentagem de fibras axiais com a habilidade de rolar, uma por sobre a outra, de uma maneira semilivxe, assim sendo permitindo um bom. ajuste para o afastamento final ou para a seção· transversal de formato complexo. Portanto, em uma realização da presente invenção, as fibras de tensionamento nâo são usadas para comunicar resistência sobre o material entrelaçado ajustável, mas ao invés simplesmente manter as fibras axiais juntas até que o material entrelaçado seja inserido no afastamento alvo ou no formato complexo e a estrutura seja impregnada com uma resina.
[42] Em uma outra realização da presente invenção, as mechas de material entrelaçado são utilizadas no interior dos locais axiais 30 do material entrelaçado ajustável propriamente dito. Tome por exemplo duas mechas adjacentes 40 conforme representado na Fig. 4. O material entrelaçado tradicionalmente incorpora tanto as extremidades de fibras individuais ou múltiplas. Estas extremidades tendem a assumir um formato elíptico de seção transversal e o formato destas seções transversais é difícil de se prever e de se controlar conforme é representado na Fig. 7. Em adição, uma propriedade chave do material entrelaçado ajustável é a habilidade de que os locais axiais rolam, um sobre o outro, quando ajustados a uma dada geometria conforme é representado nas Figs. 7 e 8. A geometria circular das mechas axiais de material entrelaçado conforme representado na Fig. 8 deveria se tornar algo melhor no que diz respeito a este efeito do que a geometria oval das mechas não entrelaçadas uma vez que estas últimas acarretam em forças de fricção mais altas quando as mechas rolam, uma sobre a outra. Com a fibra de local axial sendo de uma forma de material entrelaçado, as forças de fricção entre os filamentos individuais deveríam ser minimizadas, uma vez que a área de superfície para a razão de massa do local axial é muito menor para a configuração de material entrelaçado conforme é mostrado na Fig. 8.
[43] O conceito de usar material entrelaçado nos locais axiais é aplicável a outros materiais que, similarmente a, um material entrelaçado, tem seções transversais circulares razoavelmente rigidas. A alternativa mais aparente disto seriam as hastes de pultrusão.
[44] Em conformidade foi mostrado que um material entrelaçado ajustável onde o material do núcleo da fibra é movido para os locais axiais pode ser desenhado para satisfazer ambos os requisitos de área e os requisitos de perímetro de um afastamento côncavo ou complexo que precisa ser preenchido antes da introdução de um material matriz- [45] Embora uma realização preferida da presente invenção e modificações da mesma foram aqui descritas em detalhe, deve ser subentendidos que esta invenção não é limitada a esta exata realização e a estas exatas modificações e outras modificações e variações podem ser efetuadas por um indivíduo com especialização na técnica sem partir a partir do espírito e do escopo da invenção conforme definido pelas reivindicações anexas