BRPI0621913A2 - procedimento para a fabricação de peças de materiais compostos com dois ciclos de cura - Google Patents

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BRPI0621913A2
BRPI0621913A2 BRPI0621913-6A BRPI0621913A BRPI0621913A2 BR PI0621913 A2 BRPI0621913 A2 BR PI0621913A2 BR PI0621913 A BRPI0621913 A BR PI0621913A BR PI0621913 A2 BRPI0621913 A2 BR PI0621913A2
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BR
Brazil
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composite material
temperature
resin
manufacturing
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BRPI0621913-6A
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Bego A Santoro Alvarez
Jose Sanchez Gomez
Jose Cuenca Rincon
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Airbus Espa A S L
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Abstract

PROCEDIMENTO PARA A FABRICAçãO DE PEçAS DE MATERIAIS COMPOSTOS COM DOIS CICLOS DE CURA. A presente invenção refere-se a um procedimento para fabricar ma peça de um material composto feito com uma resina polimérica e a um eforço fibroso a partir de pelo menos dois subcomponentes, o qual compre- nde as seguintes etapas: a) prover o primeiro subcomponente curado par- ialmente em um ciclo de cura em autoclave a uma temperatura máxima T1 compreendida entre a temperatura TG de gelificação da resina e a temperatura TC de cura da resina, aplicada durante um tempo predeterminado TP1, e modo que seja liberado o componente exotérmico do primeiro subcomponente em um grau superior a 50%; b) prover o segundo subcomponente o estado bruto ou curado; c) ensamblar os dois subcomponentes e proceder à sua união em um ciclo de cura em autoclave a uma temperatura máxima T2 compreendida entre 90% e 100% da temperatura TC de cura da resina, aplicada durante um tempo predeterminado TP2.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCEDI- MENTO PARA A FABRICAÇÃO DE PEÇAS DE MATERIAIS COMPOS- TOS COM DOIS CICLOS DE CURA".
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um procedimento para a fabri- cação de peças de materiais compostos com dois ciclos de cura e, mais par- ticularmente, a peças destinadas a estruturas aeronáuticas.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Para a fabricação de muitas peças de materiais compostos feitos com resinas poliméricas e reforços fibrosos destinadas a estruturas aeronáu- ticas são conhecidos procedimentos nos quais pelo menos um dos subcom- ponentes da peça é submetido a um primeiro ciclo de cura em autoclave e o conjunto da peça, com todos os seus subcomponentes devidamente ensam- blados, é submetido a um segundo ciclo de cura em autoclave.
Por sua vez, é bem conhecida na indústria aeronáutica a pro- blemática traçada pela exotermicidade da reação química que tem lugar du- rante a polimerização da resina durante a cura em autoclave: o calor produ- zido pela reação é somado ao calor da autoclave e pode causar um supera- quecimento indesejável da peça submetida ao ciclo de cura. Para enfrentar essa problemática são conhecidas técnicas, tal como o incremento lento ou em etapas da temperatura da autoclave, ou técnicas de aperfeiçoamento, tais como aquelas descritas na Patente Norte-Americana 5.345.397 nas quais a ótima temperatura da autoclave é recalculada periodicamente em função da temperatura da peça, dispondo efetivamente de instrumentos de medidas das variáveis controladas.
Pois bem, não são conhecidas técnicas eficazes para diminuir ao efeito da reação exotérmica na fabricação de peças com subcomponen- tes distintos e, em particular, técnicas que diminuem o custo de fabricação.
A presente invenção é orientada para a solução desse inconve- niente.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção propõe um procedimento para fabricar uma peça de um material composto feito com uma resina polimérica e um reforço fibroso a partir de pelo menos dois subcomponentes, o qual compreende as seguintes etapas:
- Prover o primeiro subcomponente curado parcialmente em um ciclo de cura em autoclave a uma temperatura máxima T1, compreendida entre a temperatura TG de gelificação da resina e a temperatura de cura da resina TC, aplicada durante um tempo predeterminado TP1, de maneira que seja liberado o componente exotérmico do primeiro subcomponente em um grau superior a 50%.
- Prover o segundo subcomponente.
- Ensamblar os dois subcomponentes e proceder a sua união em um ciclo de cura em autoclave a uma temperatura máxima T2 compreendida entre 90% e 100% da temperatura TC de cura da resina, aplicada durante um tempo predeterminado TP2.
Uma vantagem do procedimento objeto da presente invenção é a de reduzir o tempo do primeiro ciclo de cura com uma conseqüente eco- nomia de custos de fabricação.
Outra vantagem do procedimento objeto da presente invenção é a de conseguir liberar parte da exotermicidade da resina no primeiro ciclo de cura, deixando um componente exotérmico menor que possa ser liberado no segundo ciclo de cura, sem ocasionar a elevação de temperatura excessiva durante o processo.
Outras características e vantagens da presente invenção se tor- narão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada de uma realização ilustrativa de seu objeto em relação às figuras anexas.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
A figura 1 mostra dois subcomponentes de uma peça fabricada de acordo com o procedimento objeto da presente invenção.
A figura 2 mostra esquematicamente os subcomponentes da peça ensamblados e preparados para serem submetidos ao segundo ciclo de cura.
A figura 3 mostra um diagrama de um ciclo convencional de cu- ra.
A figura 4 mostra um diagrama do primeiro ciclo de cura seguin- do o procedimento da presente invenção.
A figura 5 mostra um diagrama do segundo ciclo de cura seguin- do o procedimento da presente invenção.
A figura 6 mostra conjuntamente os diagramas de um primeiro ciclo de cura seguindo o procedimento objeto da presente invenção e um procedimento convencional referentes a um exemplo de realização da in- venção.
A figura 7 mostra a entalpia total e a entalpia residual depois do primeiro ciclo de cura.
A figura 8 mostra a gelificação da resina no primeiro ciclo de cu- ra.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
O procedimento convencional para fabricar uma peça de materi- al composto, tal como um revestimento do estabilizador horizontal (HTP) do Airbus 380 formado por um invólucro 11 enrijecido por vigas em T 13 com- preende as seguintes etapas:
x) Prover o invólucro 11 no estado curado.
y) Prover as vigas 13 sem cura.
z) Cocolar o conjunto de pele + vigas.
A etapa x) compreende, por sua vez, os seguintes passos bási- cos:
- Laminar o material composto, na forma de prepeg, sobre um utensílio com a forma do invólucro 11.
- Colocar uma bolsa de vácuo sobre o laminado.
- Submeter o conjunto a um ciclo de cura em autoclave a uma pressão de 930,8 KPa (135 psi) e a uma temperatura de 185°C durante 2 horas.
A etapa y) compreende, por sua vez, os seguintes passos bási- cos:
Laminar o material-compostOT-na forma de prepegrsobre um utensílio apropriado.
- Conformar as vigas na forma de T 13 em um ciclo de confor- mação a quente em um utensílio apropriado.
A etapa z) compreende, por sua vez, os seguintes passos bási- co:
- Ensamblar as vigas 13 com o invólucro 11. Este passo pode ser executado de diversas maneiras e com um tipo distinto de utensílio. Por exemplo, uma maneira de executá-lo consiste em primeiramente dispor as vigas 13 em um utensílio de cura com a cabeça para cima, em segundo Iu- gar, colocar o invólucro 11 sobre elas e, em terceiro lugar, circundar o uten- sílio para situar o conjunto com o invólucro 11 na posição inferior. A ensam- bladura pode incluir a utilização de adesivos 15 entre os componentes.
- Colocar uma bolsa de vácuo sobre o conjunto.
- Submeter o conjunto a um ciclo de cura em autoclave a uma pressão de 930,8 KPa (135 psi) e a uma temperatura de 185°C durante 2 horas.
No procedimento convencional, tanto no ciclo de cura da etapa x) como no ciclo de cura da etapa z) a temperatura que é atingida é de 185°C durante 2 horas e a pressão da autoclave é de 930,8 KPa (135 psi). O invólucro é submetido então a dois ciclos de cura.
Todos os sistemas de resina termoestáveis desenvolvem uma reação exotérmica durante sua polimerização com o aumento da temperatu- ra. Esta reação é tanto maior quanto maior for a massa por unidade de su- perfície de resina que é aquecida e, portanto, quanto maior a espessura do material. A partir de uma determinada espessura (diferente para cada tipo de resina), a reação exotérmica da resina começa a ter efeitos visíveis sobre o ciclo de cura da resina. Ao atingir a temperatura de estabilização e cortar o fornecimento de calor da autoclave, a reação exotérmica provoca um au- mento da temperatura A, continuando, por conseguinte, a ser aquecida a resina (vide figura 3). Este superaquecimento é prejudicial para o material que está sendo fabricado, visto que a partir de um determinado valor o in- cremento da temperatura-provoca üm incremento da fragilidade do material. Por outro lado, este superaquecimento poderia chegar a produzir um incên- dio ou uma reação incontrolada.
Uma das possíveis formas para controlar este efeito de exoter- micidade é a de reduzir a velocidade de aquecimento. Não obstante, a redu- ção da velocidade de aquecimento leva a processos muito longos, e, portan- to, de alto custo de fabricação.
De acordo com a presente invenção, o procedimento para fabri- car a mesma peça mencionada anteriormente, isto é, um revestimento do estabilizador horizontal (HTP) do Airbus 380 formado por um invólucro 11 enrijecido por vigas em T 13, compreende as seguintes etapas:
a) Prover o invólucro 11 parcialmente curado.
b) Prover as vigas 13.
c) Cocolar o conjunto de pele + vigas.
Como será entendido por aquele versado na técnica, nestas e- tapas são utilizados passos similares àqueles do procedimento convencional que foram omitidos para fins de simplificação. As diferenças básicas do pro- cedimento de acordo com a invenção e o convencional são as seguintes.
Na etapa a) o ciclo de cura do invólucro 11 é desenvolvido até uma determinada temperatura T1 de maneira que, em velocidades normais de aquecimento, seja alcançado, por um lado, um grau parcial de cura que permite que o invólucro 11 fique suficientemente rígido de modo que não seja modificada sua geometria quando da montagem das vigas 13 na mes- ma e, por outro lado, seja liberada parte do componente exotérmico da resi- na, sem alcançar a temperatura de cura TC da resina, de maneira que, du- rante o ciclo de cura da etapa c) o componente exotérmico do invólucro 11 seja tão pequeno que não seja produzido nenhum superaquecimento visível do mesmo.
Assim, a temperatura da peça durante o primeiro ciclo de cura deve ser, por um lado, maior do que a temperatura de gelificação da resina TG e, por outro lado, menor do que a temperatura de cura da resina TC, pa- ra que seja liberada, em uma velocidade normal de aquecimento, por exem- plo, de 0,8°C/miη, uma~ parte~suf icte ntedo_componente exotérrnico para que, durante o ciclo de cura da etapa c), o componente exotérmico do invólucro 11 seja tão pequeno que não seja produzido nenhum superaquecimento vi- sível sobre a peça. Esta etapa é ilustrada na figura .4 na qual é observada a execução de um ciclo de cura a uma temperatura máxima de 140°C, no qual a peça atinge uma temperatura máxima T1=140° + A1, que, por um lado, não alcança os 180°C, que é a temperatura de cura da resina utilizada, e que, por outro lado, é suficiente para que a resina seja gelificada.
É estimado que no primeiro ciclo o componente exotérmico seja liberado do invólucro 11 em um grau superior a 50% e, preferivelmente, a 65%.
Na etapa c), as vigas 13, que podem estar em estado bruto ou pré-curado, são montadas sobre o invólucro 11. Se estiverem em bruto, se- rão efetivamente utilizados utensílios que consistem em ângulos metálicos 25 e placas 27. Conforme já mencionado anteriormente, o invólucro 11 deve ser suficientemente rígido para que os ditos ângulos metálicos 25 e as pla- cas 27 não deixem marcas sobre ele. É colocada a bolsa de vácuo 29 e de- pois disso é realizado um ciclo de cura até que o grau de cura do invólucro 11 e das vigas 13 seja superior a 90%.
De acordo com que é ilustrado na figura 5, o ciclo de cura pode ser levado a cabo em uma temperatura máxima próxima daquela da cura da resina utilizada, isto é, 180°C, já que o componente exotérmico da resina do invólucro 11, mostrado no segmento 31 do ciclo de cura, é tão pequeno que o superaquecimento da peça por efeito da exotermicidade é insignificante.
Exemplo
A seguir, serão expostos os resultados obtidos em um exemplo concreto de realização da invenção utilizando, como um primeiro subcompo- nente, um painel de 300 χ 300 mm de superfície e 50 mm de espessura com material de fibra de carbono impregnado com resina epóxi de designação Toray 3911-T800 e, como um segundo subcomponente, um painel de 50 χ 50 mm de superfície e 3 mm de espessura e em um exemplo paralelo se- guindo o procedimento convencional e utilizando os mesmos subcomponen- tes. E entendido que estes subcomponentes simulam aceitavelmente o invólucro e uma viga do revestimento de um estabilizador ou uma asa de um avião.
Na primeira etapa do procedimento, o primeiro subcomponente é parcialmente curado seguindo o ciclo de cura representado na parte inferior da figura 6 no qual a temperatura vai sendo incrementada em uma velocida- de de 0,8°C/min para chegar a 140°C, essa temperatura sendo mantida du- rante 3 horas.
De acordo com as medidas obtidas por meio de termopares co- locados tanto no centro como nas extremidades do painel, a reação exotér- mica produz um aumento da temperatura A2 até 164°C, temperatura inferior a 180°C que é a temperatura de cura do material. De sua parte, foi analisado o grau de cura do primeiro subcomponente obtendo-se um valor de 75%.
Com a aplicação de um ciclo de cura de acordo com o procedi- mento convencional em uma temperatura máxima de 180°C, representado na parte superior da figura 6, a reação exotérmica produz um aumento da temperatura A3 até 210°C e o grau de cura resultante é de 96%.
Na terceira etapa, o ciclo de cura é realizado de maneira con- vencional em ambos os casos: a temperatura é incrementada a uma veloci- dade de 0,8°C/min até chegar a 180°C, essa temperatura sendo mantida durante 2 horas.
Em nenhum deles houve superaquecimento por exotermicidade.
O grau de cura da peça final foi de aproximadamente 95% utili- zando tanto o procedimento convencional como o procedimento de acordo com a presente invenção.
A seleção dos parâmetros de temperatura, tempo e velocidade de aquecimento do primeiro ciclo de cura foi baseada nos resultados de ca- Iorimetria diferencial de varredura (DSC) e reometria, realizados sobre o ma- terial pré-impregnado. Na figura 7 é mostrada a entalpia residual 35 da a- mostra do material pré-impregnado em comparação com a entalpia total 37 de referência, ilustrando a considerável diminuição da entalpia residual da resina (er portantorevitando ospotenciaisproblemas de exotermicidade), e na figura 8 é mostrado o processo de gelificação 39 da resina submetida ao ciclo 41 de 140°C/3 horas com velocidade de aquecimento de 0,8°C/min em que pode ser apreciado que a gelificação da resina 43 acontece 40 minutos depois de iniciada a etapa isotérmica a 140°C.
O procedimento objeto da presente invenção não é apenas apli- cável à fabricação do revestimento do HTP de uma aeronave a partir de um invólucro pré-curado e de uma pluralidade de vigas em estado bruto, mas em qualquer procedimento de fabricação de peças de material composto a partir de dois subcomponentes no qual é executada uma cura parcial de um dos subcomponentes na primeira etapa. O segundo subcomponente pode ser provido em bruto ou curado de maneira que, na segunda etapa, se pro- ceda a uma co-colagem, se o segundo subcomponente for provido em um estado bruto, ou a uma colagem secundária, se o segundo subcomponente for provido no estado pré-curado.
Em particular, é contemplada a aplicação do procedimento da presente invenção para a fabricação de peças com os seguintes subcompo- nentes:
- Pele pré-curada e vigas em bruto.
- Pele pré-curada e vigas pré-curadas.
- Pele em estado bruto e vigas pré-curadas.
As vigas podem ter a seção na forma de Τ, Ω, U ou qualquer outra que seja apropriada.
É considerada que a solução proposta para o problema de exo- termicidade se mostra especialmente vantajosa na fabricação de peças nas quais o primeiro subcomponente apresenta zonas com uma espessura maior do que 25 mm.
Na realização preferida que foi recém descrita podem ser intro- duzidas aquelas modificações compreendidas no alcance definido pelas se- guintes reivindicações.

Claims (8)

1. Procedimento para fabricar uma peça de um material compos- to feito com uma resina polimérica e um reforço fibroso a partir de pelo me- nos dois subcomponentes, caracterizado pelo fato de compreender as se- guintes etapas: a) prover o primeiro subcomponente curado parcialmente em um ciclo de cura em autoclave a uma temperatura máxima T1, compreendida entre a temperatura TG de gelificação da resina e a temperatura TC de cura da resina, aplicada durante um tempo predeterminado TP1, de modo que seja liberado o componente exotérmico do primeiro subcomponente em um grau superior a 50%; b) prover o segundo subcomponente; c) ensamblar os dois subcomponentes e proceder à sua união em um ciclo de cura em autoclave a uma temperatura máxima T2 compre- endida entre 90% e 100% da temperatura TC de cura da resina, aplicada durante um tempo predeterminado TP2.
2. Procedimento para fabricar uma peça de material composto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de, na primeira eta- pa, ser liberado o componente exotérmico do primeiro subcomponente em um grau superior a 65%.
3. Procedimento para fabricar uma peça de material composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de o primeiro subcomponente ter pelo menos uma zona com uma es- pessura maior do que 25 mm.
4. Procedimento para fabricar uma peça de material composto , de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de, na etapa a), o primeiro subcomponente ser curado em um grau compreendido entre 50% e 90%.
5. Procedimento para fabricar uma peça de material composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de, na etapa c), o primeiro subcomponente e o segundo subcomponente serem curados em um grau superior a 90%.
6. Procedimento para fabricar uma peça de material composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de a peça a ser fabricada ser um revestimento de um estabilizador hori- zontal de avião, o primeiro subcomponente sendo o invólucro e o segundo subcomponente sendo uma pluralidade de vigas providas em estado bruto.
7. Procedimento para fabricar uma peça de material composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de a peça a ser fabricada ser um revestimento de um estabilizador hori- zontal de um avião, o primeiro subcomponente sendo o invólucro e o segun- do subcomponente sendo uma pluralidade de vigas providas em estado pré- curado.
8. Procedimento para fabricar uma peça de material composto, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de a peça a ser fabricada ser um revestimento de um estabilizador hori- zontal de um avião, o primeiro subcomponente sendo uma pluralidade de vigas e o segundo subcomponente sendo o invólucro provido em estado bru- to.
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