BRPI0621908A2 - ferramenta e método para a fabricação de peças de materiais compósitos fora de uma autoclave - Google Patents

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Abstract

FERRAMENTA E MéTODO PARA A FABRICAçãO DE PEçAS DE MATERIAIS COM POSITOS FORA DE UMA AUTOCLAVE. A presente invenção refere-se a uma ferramenta (9) para a fabricação de peças de material compósito fora de uma autoclave, que compreende uma mesa de empilhamento (11), um cabeçote (15) deslocável sobre a dita mesa de empilhamento (11) dotado de meios automático para a colocação de cintas (19) de material compósito, meios de compactação do material compósito e meios de emissão de microondas (25) para curar o material compósito. A invenção também se refere a um método para a fabricação de peçes de material compósito fora de uma autoclave, que compreende as seguintes etapas: a) colocar material compósito na forma de cintas sobre uma ferramenta com a forma da peça a ser fabricada, compactando-o e curando-o parcialmente depois de sua colocação, até completar uma camada da peça; b) repetir a etapa a) até completar o empilhamento da peça e c) curar, até o grau de cura exigido, a última camada da peça.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "FERRAMENTA E MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE PEÇAS DE MATERIAIS COMPÓ- SITOS FORA DE UMA AUTOCLAVE".
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a uma ferramenta e a um método de fabricação de peças de materiais compósitos e, mais particularmente, a uma ferramenta e a um método de fabricação fora de uma autoclave, cujos resultados são comparáveis aos métodos que incluem uma etapa de cura na autoclave.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Os materiais compósitos são cada vez mais atraentes para uma grande variedade de utilizações em diversas indústrias, tal como a indústria aeronáutica, a indústria naval, a indústria automobilística ou a indústria des- portiva, devido a sua alta resistência e relação de resistência-peso.
Os materiais compósitos mais utilizados nas ditas indústrias são aqueles que compreendem fibras ou feixes de fibra embutidos em uma matriz de resina termoestável ou termoplástica, na forma de material pré-impregnado ou de "prepreg".
Uma peça de material compósito é formada por uma pluralidade de camadas de material pré-impregnado. Cada camada de material pré- impregnado é formada por fibras ou feixes de fibras que podem ser entre- cruzadas entre si formando diferentes estilos de tecido ou que podem ser orientadas em uma única direção formando cintas unidirecionais. Estas fi- bras ou feixes de fibras são impregnados com resinas (seja termoestáveis ou termoplásticas) que, em muitos casos, são parcialmente polimerizadas.
Hoje em dia e principalmente na indústria aeroespacial, são gran- demente utilizados materiais compósitos de matriz orgânica e fibra contínua principalmente com base em resinas epoxídicas e de fibras de carbono.
Este tipo de peça teve seu nível de utilização ampliado, especi- almente na indústria aeronáutica, até chegar à situação atual em que os ma- teriais compósitos de matriz epoxídica e de fibra de carbono podem ser con- siderados a opção mais empregada em uma grande diversidade de elementos estruturais. Esta situação obrigou e continua obrigando um desenvolvimento de processos de fabricação capazes de produzir elementos com a qualidade exigida de forma repetitiva e com um custo de fabricação adequado.
Com relação à disposição de camadas de material pré-impregnado para a "construção" de uma peça de material compósito, existem diversos mé- todos em função dos meios de que se dispõe para seu posicionamento e, em particular, o empilhamento manual e o empilhamento automático.
No empilhamento manual, um operário coloca as diferentes capas de material pré-impregnado com o tamanho e a orientação que são exigidos.
No empilhamento automático, um sistema robotizado se encar- rega de colocar as diferentes capas de material pré-impregnado com a orien- tação e a posição exigidas e de cortá-las em um comprimento específico.
Dentro do empilhamento automático há dois tipos fundamentais em função do material pré-impregnado e sua largura a ser executado o em- pilhamento:
- ATL ("automatic lay-up" (conformação automática)): o sistema robotizado posiciona o material pré-impregnado na forma de tiras mais ou menos largas para cobrir as superfícies planas ou de curvatura simples.
- FP ("fiber placement" (assentamento de fibras)): o sistema ro- botizado posiciona conjuntos de tiras muito estreitas para cobrir superfícies de dupla curvatura.
O processo de fabricação de peças de materiais compósitos a partir desta pluralidade de camadas (laminado) exige, em geral, uma com- pactação para se obter o volume de fibra desejado e eliminar vazios e o ar aprisionado do material compósito e um processo de cura com o qual é con- seguido a ligação cruzada das cadeias poliméricas da resina que impregna as fibras.
Tradicionalmente, estas peças foram fabricadas mediante a apli- cação de pressão e vácuo (como meio de compactação) e a aplicação de calor (como meio para se obter o entrecruzamento das cadeias poliméricas), particularmente em uma autoclave em cujo interior é criada a atmosfera con- trolada. O tempo investido na fabricação da peça a partir do material pré-im- pregnado é a soma do tempo investido em cada um dos processos necessários: o empilhamento das sucessivas camadas de material pré-impregnado que for- mam a peça, a aplicação de vácuo (como um dos meios de compactação) e a cura da peça no interior de uma autoclave sob a ação de pressão (com- pactação) e calor (ligação cruzada de cadeias poliméricas). O tempo total é geralmente elevado e é tanto maior quanto maior for a complexidade e o número de camadas da pilha.
Outro aspecto a ser considerado é o alto custo da fabricação de peças de materiais compósitos e, em particular, o alto custo da energia exi- gida pela autoclave.
Portanto, a indústria clama constantemente por métodos inova- dores que permitam a diminuição tanto do tempo como da energia necessá- ria para a fabricação de peças de materiais compósitos.
A presente invenção é orientada para a satisfação desta demanda.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Em um primeiro aspecto, a invenção provê uma ferramenta para a fabricação de peças de material compósito fora de uma autoclave, que compreende os seguintes elementos:
- Uma mesa móvel que tem uma superfície superior com a forma da peça a ser fabricada.
- Um cabeçote deslocável da dita mesa dotado de meios auto- máticos para a colocação de cintas ou mechas de material compósito na forma de prepreg, meios de compactação do material compósito e meios de emis- são de microondas para curar o material compósito.
Em um segundo aspecto, a invenção provê um método para a fabricação de peças de material compósito fora de uma autoclave, que com- preende as seguintes etapas:
- Colocar material compósito na forma de cintas ou mechas de prepreg sobre a mesa da ferramenta mencionada, compactando-o e curando-o parcialmente depois de sua colocação, até completar uma camada da peça.
- Repetir a etapa anterior até completar o empilhamento da peça. - Curar a última camada da peça.
Em um terceiro aspecto, a invenção provê um método para a fabricação de peças de material compósito fora de uma autoclave, que com- preende as seguintes etapas:
- Colocar material compósito na forma de cintas ou mechas de prepreg sobre a mesa da ferramenta mencionada, compactando-o depois de sua colocação, até completar uma camada da peça.
- Repetir a etapa anterior até completar a aplicação da peça.
- Curar a peça mediante a aplicação local de calor sobre sua superfície com um emissor de microondas.
Para o objetivo da presente invenção, o termo "material compó- sito" se refere a qualquer material de matriz orgânica (epoxídica, de bisma- leimida, de polimida, fenólica, víniléster ...) e fibras contínuas de reforço (de carbono, de cerâmica, de vidro, orgânica, de poliaramida, PBO ...).
Outras características e vantagens da presente invenção tornar- se-ão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada de uma modalidade ilustrativa de seu objeto em relação às figuras anexas.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
A figura 1 é uma vista esquemática do cabeçote da ferramenta objeto da presente invenção.
As figuras 2 e 3 mostram vistas esquemáticas em perspectiva da ferramenta objeto da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Na modalidade preferida ilustrada nas figuras, a ferramenta 9 obje- to da presente invenção compreende uma mesa de empilhamento 11 com uma superfície superior 13 que inclui uma zona com a forma da peça a ser fabricada e um cabeçote 15 sustentado em um pórtico 17. A mesa 11 inclui meios que permitem que a superfície superior 13 seja deslocada ao longo da mesma e que gire em torno de um eixo situado em sua parte central, e o pórtico 17 inclui meios para que o cabeçote 15 seja deslocado ao largo da mesa 11.
O cabeçote 15 incorpora:
- Meios automáticos para a colocação de cintas 19 de material compósito na forma de prepreg, que incluem um carretei de material pré- impregnado 31, uma unidade de lâminas guiadas 33, um rolo aquecido com- pactador 35 e uma bobina de papel separador 37.
- Meio de compactação das camadas de prepreg, incluindo um rolo de compactação 39 aquecido e/ou resfriado e uma unidade de compac- tação por ultrassom 41.
- Meios de emissão de microondas 25.
A ferramenta 9 é estruturada de maneira que, por um lado, pos- sa situar o cabeçote 15 em diferentes alturas sobre a mesa 11 e, por outro lado, possa ativar todos ou parte dos meios mencionados. Assim, por exem- plo, a ferramenta 9 pode ser configurada para que os meios automáticos de colocação de cintas 19, os meios de compactação e os meios de emissão de microondas 25 sejam ativados - o que sucederá normalmente durante o em- pilhamento da peça - ou a ferramenta pode ser configurada para que sejam apenas ativados os meios de emissão de microondas 25 - o que sucederá quando for desejado proceder a operações individuais de cura da peça.
De sua parte, a ferramenta 9 é estruturada de maneira que pos- sa ser mudada a disposição dos meios mencionados para que possam atuar em ordem distinta.
Nesse sentido, uma possível disposição seria aquela na qual a ordem de atuação seria a seguinte: em primeiro lugar, os meios automáticos de colocação de cintas, em segundo lugar, os meios de compactação, e, em terceiro lugar, os meios de emissão de microondas 25. Neste caso, os meios de emissão de microondas curam a camada que está sendo empilhada.
Em uma disposição alternativa, a ordem de atuação seria a se- guinte: em primeiro lugar, os meios de emissão de microondas 25, em se- gundo lugar, os meios automáticos de colocação de cintas e, em terceiro lugar, os meios de compactação. Neste caso, os meios de emissão de mi- croondas curam a camada situada debaixo daquela que está sendo empilhada.
Os préstimos dos diferentes componentes da ferramenta 9 e, em particular, da potência exigida do emissor de microondas 25 irão variar em função das características da peça a ser fabricada e, muito particularmente, de sua espessura. Por isso, o emissor de microondas 25 deve ser suficien- temente flexível, tal como para trabalhar em diferentes potências, assim co- mo para poder variar a potência emitida ao longo do processo de cura do material.
A título meramente ilustrativo, são indicadas, a seguir, algumas características de uma modalidade preferida da ferramenta 9:
- Velocidade máxima de empilhamento (velocidade máxima na qual pode ser movido o cabeçote 15): 70 m/min.
- Potência do emissor de microondas 25 compreendida entre 0,1 kWe 10 kW.
- Freqüência da unidade de compactação por ultrassom 41 com- preendida entre 20 kHz e 40 kHz.
Uma vantagem importante da presente invenção é a de que a ferramenta 9 pode ter um único painel de controle dos diferentes meios men- cionados, o que simplifica seu manejo e controle.
A seguir, será descrito o método objeto da presente invenção, que tem por finalidade utilizar combinadamente diferentes técnicas para a fabricação de uma peça de material compósito em um processo "fora de uma autoclave" e, em particular, as seguintes:
- FO ou ATL para o empilhamento do material compósito.
- Ultrassom para se obter uma compactação adequada entre as diferentes camadas de material compósito.
- Microondas para se conseguir o entrecruzamento das cadeias poliméricas do material compósito.
Em uma primeira modalidade, o método objeto da presente in- venção é executado da seguinte maneira.
A fabricação da peça começa com a colocação de uma primeira camada de material. Nessa operação, por exemplo, com a utilização da fer- ramenta 9 descrita anteriormente, a prepreg situado no carretei 31 passa através de um sistema de lâminas 33 para o rolo compactador 35, que o po- siciona sobre a superfície superior 13 da mesa de empilhamento 11. O papel separador anexo ao prepreg é enrolado no carretei 37. Depois, o rolo de compactação 39 e a unidade de ultrassom 41 realizam as operações de compactação sobre a cinta de prepreg 19 colocada sobre a mesa de empi- Ihamento 11. Depois disso, o material é curado em um determinado grau utilizando o emissor de microondas 25. Essa operação é executada com o deslocamento conveniente do cabeçote 15 da ferramenta 9 até que todo o material correspondente a uma camada da peça seja parcialmente colocado, compactado e curado.
Essa camada não pode ser totalmente curada, já que deve a- presentar uma certa adesividade para que a seguinte camada seja colocada adequadamente sobre ela.
A seguinte camada será colocada de maneira similar à primeira (ATL ou FP1 rolo compactador, US) e a ação do emissor de microondas 25 ocasionará a cura parcial da segunda camada e também da primeira.
A colocação de diferentes camadas ocasionará então ciclos de cura sucessivos das camadas anteriores até atingir o grau de cura exigido. Por fim, para se conseguir uma cura adequada da última camada é exigido que, depois de sua colocação, seja executado um ciclo de cura específica mediante a ação do emissor de microondas 25.
Em um exemplo de execução do método foi empilhada uma cinta de prepreg de 80 mm de largura no material com um cabeçote de ATL a uma velocidade de 2 m/min, a freqüência da unidade de compactação foi de 20 kHz e a potência do emissor de microondas de 0,1 kW.
Em uma segunda modalidade do método objeto da presente in- venção, a cura das diferentes capas seria executada uma vez terminado o empilhamento.
Desse modo, se for utilizada a ferramenta 9, as diferentes ca- madas que formaram a peça serão empilhadas da mesma maneira descrita anteriormente e serão compactadas uma a uma com o rolo aquecedor 39 e a unidade de compactação por ultrassom 41.
Uma vez empilhadas todas as camadas de material compósito com o tamanho e a orientação adequados, se procederá à cura, sendo utili- zado o emissor de microondas 25, realizando as passagens necessárias com o cabeçote 15 até conseguir a polimerização desejada das cadeias po- liméricas.
Na modalidade preferida recém-descrita podem ser introduzidas aquelas modificações compreendidas dentro do escopo definido para as se- guintes reivindicações.

Claims (10)

1. Ferramenta (9) para a fabricação de peças de material com- pósito fora de uma autoclave, caracterizada pelo fato de compreender: a) uma mesa de empilhamento (11) que tem uma superfície su- perior (13) deslocável, com a forma da peça a ser fabricada; b) um cabeçote (15) deslocável sobre a dita mesa de empilha- mento (11), dotado dos seguinte meios: b1) meios automáticos para a colocação de cintas (19) ou me- chas de material compósito na forma de prepreg; b2) meios de compactação do material compósito; b3) meio de emissão de microondas (25) para curar o material compósito.
2. Ferramenta (9) para a fabricação de peças de material com- pósito fora de uma autoclave, de acordo com a reivindicação 1, caracteriza- da pelo fato de ser estruturada de modo que os deslocamentos do cabeçote (15) e da superfície superior (13) da mesa de empilhamento (11) permitam o empilhamento da peça desejada.
3. Ferramenta (9) para a fabricação de peças de material com- pósito fora de uma autoclave, de acordo com a reivindicação 2, caracteriza- da pelo fato de ser estruturada de maneira que a superfície superior (13) possa girar em torno de um eixo situado no centro da mesma e se mova ao longo da mesa de empilhamento (11), e o cabeçote (15) possa se mover ao longo de toda a largura da mesa de empilhamento (11).
4. Ferramenta (9) para a fabricação de peças de material com- pósito fora de uma autoclave, de acordo com as reivindicações 1 a 3, carac- terizada pelo fato de os ditos meios de compactação incluírem um rolo (39) e uma unidade de ultrassom (41).
5. Ferramenta (9) para a fabricação de peças de material com- pósito fora de uma autoclave, de acordo com as reivindicações 1 a 4, carac- terizada pelo fato de o cabeçote ser estruturado de maneira que possa ser configurado com qualquer estado de operatividade dos meios mencionados.
6. Ferramenta (9) para a fabricação de peças de material com- posto fora de uma autoclave, de acordo com as reivindicações 1 a 5, carac- terizada pelo fato de o cabeçote ser estruturado de maneira que possa ser modificada a ordem de atuação dos meios mencionados.
7. Ferramenta (9) para a fabricação de peças de material com- pósito fora de uma autoclave, de acordo com as reivindicações 1 a 6, carac- terizada pelo fato de o cabeçote ser estruturado de maneira que a distância entre os meios mencionados possa ser modificada.
8. Método para a fabricação de peças de materiai compósito fora de uma autoclave, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: a) Colocar material compósito na forma de cintas ou mechas de prepreg sobre uma ferramenta com a forma da peça a ser fabricada, com- pactando-o e curando-o parcialmente depois de sua colocação, até comple- tar uma camada da peça; b) Repetir a etapa a) até completar o empilhamento da peça; c) Curar, até o grau de cura exigido, a última camada da peça.
9. Método para a fabricação de peças de material compósito fora de uma autoclave, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de, nas etapas a) e b), a cura do material compósito ser executada mediante a aplicação local de calor ao mesmo depois de sua colocação com um emis- sor de microondas.
10. Método para a fabricação de peças de material compósito fora de uma autoclave, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: a) Colocar material compósito na forma de cintas ou mechas de prepreg sobre uma ferramenta com a forma da peça, compactando-o depois de sua colocação, até completar uma camada da peça; b) Repetir a etapa a) até completar o empilhamento da peça; c) Curar a peça mediante a aplicação local de calor sobre sua superfície com um emissor de microondas.
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