BRPI0714295A2

BRPI0714295A2 - mÉtodo para a fabricaÇço de parte compàsita

Info

Publication number: BRPI0714295A2
Application number: BRPI0714295-1A
Authority: BR
Inventors: Jago Pridie
Original assignee: Airbus Uk Ltd
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2013-03-12
Also published as: CN101489768A; CA2653990A1; WO2008007140A2; US20090197050A1; GB0613872D0; WO2008007140A9; EP2038106A2; WO2008007140A3; RU2009104019A; JP2009542483A

Abstract

MÉTODO PARA A FABRICAÇçO DE PARTE COMPàSITA. A presente invenção refere-se a um método para a fabricação de uma parte compósita, o método compreendendo: colocar uma carga sobre uma ferramenta macho que possui uma região de superfície convexa; desavolumar da carga sobre a ferramenta macho ao aplicar pressão à carga, a pressão aplicada variando sobre a superfície da carga ser intensificada onde a carga se engata à região de superfície convexa da ferramenta macho; e curar a carga sobre uma ferramenta fêmea que possui uma região de superfície côncova. A carga é formada e desavolumada em uma série de etapas para formar umlaminado. A carga é formada em uma primeira temperatura T1; desavolumada em uma segunda temperatura T2; e curada em uma terceira temperatura T3, onde T1<T2<T3.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE PARTE COMPÓSITA". CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um método para a fabricação de uma parte compósita.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

É bem conhecido que as partes compósitas reduzem em espes- sura durante a cura. Esse processo é conhecido (do inglês "debulking") de redução de volume, e deve-se quase inteiramente à liberação de ar aprisio- nado. Tipicamente, a redução em espessura de um laminado prepreg (co- mumente conhecido como um "prepreg") é da ordem de 10 a 15%, e em um compósito de tecido seco a redução pode ser ainda maior. Isso pode se tor- nar um problema significativo quando:

a) a parte possuir uma espessura significativa (tipicamente >10mm) e for pelo menos parcialmente não-plana; ou

b) a parte incorpora áreas "padup" muito mais grossas do que aquelas do material circundante.

A figura 1 ilustra um problema em que a parte possui uma es- pessura significativa e é pelo menos parcialmente não-plana. Uma carga 1 é colocada em um molde fêmea 2, e aquecida para curar o material compósi- to. A redução de volume ocorre uniformemente nas regiões planas da carga, porém nas regiões de canto côncavas as fibras de carbono (que são incapa- zes de se estirar significativamente) tendem a ligar o canto como mostrado por linhas pontilhadas 5,6. Isso resulta em porosidade e incapacidade de satisfazer as tolerâncias geométricas requeridas nas regiões de canto.

Uma abordagem convencional para esse problema está descrita no documento US2006/0017200, em que um dispositivo de prensagem é usado para comprimir a carga localmente nas regiões de canto côncavas da ferramenta fêmea.

Um método para moldar um artigo ao estirar uma membrana

sobre uma ferramenta de moldagem está descrito no documento US6723272. Sumário da Invenção

Um primeiro aspecto da invenção proporciona um método para a fabricação de uma parte compósita, sendo que o método compreende:

colocar uma carga sobre uma ferramenta macho que possui uma região de superfície convexa;

Desavolumar a carga sobre a ferramenta macho ao aplicar pres- são à carga, sendo que a pressão aplicada varia sobre a superfície da carga para ser intensificada onde a carga se engata à região de superfície convexa da ferramenta macho; e curar a carga sobre uma ferramenta fêmea que possui uma regi-

ão de superfície côncava.

O primeiro aspecto da invenção reconhece que a redução de volume pode ser mais facilmente intensificada em uma ferramenta macho, comparado com a ferramenta fêmea descrita em US2006/0017200 que re- quer um dispositivo de prensagem complexo para acessar as regiões de canto côncavas da ferramenta. A redução de volume e cura da carga em ferramentas diferentes permitem que as ferramentas sejam desenhadas pa- ra desempenho ótimo.

A pressão pode ser aplicada à carga de inúmeras maneiras, in- clusive ao aplicar pressão direta utilizando um dispositivo de prensagem rí- gido, colocando uma membrana contra a carga e aumentando a pressão sobre um lado da membrana, e/ou colocando uma membrana contra a carga e evacuando a cavidade entre a carga e a membrana.

A pressão pode ser intensificada por um dispositivo de prensa- gem rígido que comprime a carga onde essa se engata à região de canto convexa da ferramenta macho. Entretanto, em uma modalidade preferida a pressão é intensificada ao estirar uma membrana resiliente sobre a carga onde essa engata à região de canto convexa da ferramenta macho. Tipica- mente, a membrana resiliente é estirada ao proporcionar um canal adjacente à ferramenta macho e liga a membrana sobre o canal. O inventor reconhe- ceu que uma membrana resiliente pode ser usada para aplicar uma pressão não-uniforme: ou seja, uma pressão que varia sobre a superfície da carga e I 3

é mais intensa na região de superfície convexa. Essa possibilidade não é reconhecida em US6723272.

A região de superfície convexa da ferramenta macho pode ser curvada ou formada por uma série de superfícies planas. De preferência, a ferramenta macho compreende um par de regiões de superfície convexas separado por uma região que é menos convexa (por exemplo, essa pode ser substancialmente plana ou côncava). Nesse caso a pressão aplicada é mai- or nas regiões de superfície convexas do que na região menos convexa.

A carga pode ser pré-formada: ou seja, essa pode ser confor- mada sobre uma ferramenta de formação antes de ser colocada sobre a fer- ramenta macho. Entretanto, de preferência, o método compreende adicio- nalmente conformar e desavolumar a carga sobre a ferramenta macho. Isso permite que uma ferramenta simples seja usada tanto para conformação como redução de volume. De preferência, a conformação é realizada antes da redução de volume, e em uma temperatura inferior. Alternativamente, ao invés de conformar a carga utilizando um processo de formação aplicado a uma carga plana, a pré-forma pode ser fabricada ao laminar manualmente uma série de camadas sobre a ferramenta macho, sendo que cada camada se conforma ao formato da ferramenta à medida que essa é laminada. Em uma modalidade, o método compreende adicionalmente:

laminar um conjunto de uma ou mais camadas de material sobre a carga desavolumada para formar um laminado; e desavolumar o laminado antes da etapa de cura. Foi verificado que ao desavolumar um laminado em uma série de etapas, obtém-se resultados de redução de volume aperfeiçoados. As etapas de laminação e redução de volume podem ser repetidas inúmeras vezes para formar um laminado de espessura desejada.

Um segundo aspecto da invenção proporciona um método para a fabricação de uma parte de compósito, sendo que o método compreende: formar uma carga em uma primeira temperatura T1; desavolumar a carga em uma segunda temperatura T2; e

curar a carga desavolumada em uma terceira temperatura T3, em que T1<T2<T3. Γ Ao formar e desavolumar a carga em temperaturas relativamen- te baixas (comparada com a temperatura de cura T3) quaisquer efeitos atri- buídos à história térmica sobre o material (que pode, por exemplo, avançar o nível de cura da carga) são reduzidos bem como os custos de energia.

Também, a redução de volume em uma temperatura relativamente alta (comparada com a temperatura de formação T1) fornece resultados de re- dução de volume aperfeiçoados.

Os seguintes comentários se aplicam a todos os aspectos da

invenção.

Tipicamente, a carga ou laminado é aquecido durante a redução

de volume.

A parte compósita pode ser formada a partir de qualquer materi- al compósito adequado. Nas modalidades preferidas descritas abaixo, a car- ga (ou o laminado) é tipicamente um material prepreg feito de resina refor- çado tanto com fibra de carbono uniaxial como tecida. Entretanto, em moda- lidades alternativas o material compósito pode ser fabricado de outras ma- neiras. Por exemplo, a carga (ou o laminado) pode estar em uma forma de fibra seca, tal como, um tecido não-frisado que compreende fibras secas multiaxiais que podem possuir um aglutinante aplicado à sua superfície an- tes da redução de volume para permitir a fabricação de uma pré-forma de fibra seca desavolumada. Essa pré-forma de fibra seca será então infundida a vácuo ou injetada com uma resina líquida utilizando técnicas, tais como, RIFT (infusão a vácuo) ou RTM (injeção) para criar a parte compósita. Essa etapa de infusão/injeção é, de preferência, realizada na mesma temperatura que a viscosidade mínima, que é normalmente menor do que a temperatura de cura. Assim, a etapa de infusão/injeção pode ser realizada sobre a ferra- menta de cura à medida que a carga é trazida para a temperatura de cura, ou em um ciclo de aquecimento/resfriamento separado. Alternativamente, as camadas de fibra seca não-aglutinadas são intercaladas com camadas de filme de resina para formar um laminado de infusão de filme de resina (RFI). Quando a carga for aquecida durante a redução de volume, os filmes de re- sina fluem e impregnam as camadas de fibra. Esse tipo de material é prefe- rido em algumas aplicações devido ao fato de ser mais rápido de se laminar (tipicamente 0,75mm por camada comparado com 0,2mm por camada em um prepreg). Embora as propriedades mecânicas de partes compósitas RFI sofram desempenho mecânico reduzido quando comparadas com prepreg, essas possuem propriedades mecânicas aperfeiçoadas quando comparadas com tecnologias de resina líquida, tal como, RTM. Os fatores de volume são tipicamente maiores do que em prepregs.

Nas modalidades preferidas descritas abaixo, a parte compósita compreende uma Iongarina de uma asa de avião. Entretanto, a invenção pode ser usada para formar uma variedade de outras partes de avião (tais como, vigas), ou partes de outras estruturas compósitas para (por exemplo) barcos, automóveis, etc. Breve Descrição dos Desenhos

As modalidades da invenção serão descritas agora com referên- cia aos desenhos em anexo, nos quais:

a figura 1 ilustra um problema com os métodos de cura conven- cionais;

a figura 2 mostra uma carga plana antes da formação; a figura 3 mostra um processo de formação; a figura 4a mostra um conjunto de consumíveis adicionados à

carga após a formação;

a figura 4b mostra uma disposição desavolumadora; a figura 5 mostra o movimento do diafragma durante a redução

de volume;

a figura 6 mostra a posição final do diafragma durante a redução

de volume;

a figura 7 mostra a diferença em espessura da carga antes e após a redução de volume;

a figura 8 mostra uma disposição de cura; a figura 9 mostra uma disposição desavolumadora e formadora

de diafragma dupla alternativa; e

a figura 10 mostra uma disposição alternativa de blocos varredo- res.

Descrição Detalhada de Modalidade(s)

As figuras 2 a 7 mostram um método para a fabricação de uma Iongarina de avião de corte-C.

Em uma primeira etapa, uma folha plana de prepreg compósito é

formada por uma máquina de colocação de bandas ou outra máquina auto- mática sobre uma mesa plana (não mostrada). Uma carga de prepreg plana com o formato desejado é então cortada a partir da folha plana. A carga de prepreg plana 20 é colocada sobre uma ferramenta macho de moldagem e redução de volume 21 sobre uma mesa 22 como mostrado na figura 2. Será avaliado que a carga de prepreg 20 pode ser formada a partir de uma variedade de materiais compósitos adequados. Em uma modalidade preferi- da, a carga é formada a partir de uma resina epóxi reforçada por fibras de carbono uniaxiais, tais como, T700/M21 fabricadas por Hexcel (www.hexcel.com).

Um diafragma resiliente 23 é colocado sobre a carga 20 e fixado à mesa 22 (por meios não mostrados). Será avaliado que o diafragma 23 pode ser formado a partir de uma variedade de materiais resilientes adequa- dos. Em uma modalidade preferida o diafragma é feito de borracha de silico- ne fabricada por Mosite Rubber Company de Fort Worth, Texas.

A pressão é aplicada à carga 20 ao evacuar as cavidades 24,25 entre a mesa 22 e o diafragma. Esse vácuo pode ser aplicado através de uma ou mais portas (não mostradas) no diafragma 23 ou uma ou mais por- tas (não mostradas) na mesa 22. Essa pressão, juntamente com uma tem- peratura aumentada T1 de 70°C a 90°C (de preferência 75°C) faz com que a carga 20 seja modelada para se conformar à geometria Inner Mould Line (IML) da Iongarina como mostrado na figura 3. A carga é mantida na tempe- ratura desejada T1 e então resfriada.

O diafragma 23 é então removido e um par de blocos varredores 41,42 posicionado sobre cada lado da ferramenta 21 como mostrado na figu- ra 4b. Os blocos varredores são localizados para proporcionar canais 43,44 com uma largura aproximadamente igual à sua altura. Um conjunto de consumíveis 30 mostrado na figura 4a é então aplicado à carga. Os consumíveis 30 podem ser, por exemplo, um filme de liberação perfurado (tal como, etileno-propileno fluorado) em contato direto com a carga; um tecido sintético (do inglês "peel ply") sobre a parte superior, tal como, feltro "G" (disponível junto à Tygavac Advanced Materials Ltd, de Rochdale United Kingdom) seguido por uma camada de respiração, tal co- mo, UW606 (também disponível junto à Tygavac Advanced Materials Ltd).

Nota-se que os consumíveis 30 permanecem no lugar durante o processo de redução de volume a quente descrito abaixo com referência às figuras 4b-7, porém são omitidos dessas figuras para propósitos de clareza. Os consumíveis 30 permitem que qualquer ar aprisionado e voláteis esca- pem durante o processo de redução de volume a quente.

O diafragma 23 é então drapejado sobre a ferramenta e os blo- cos varredores 41,42 como mostrado na figura 4b. A montagem é então tra- zida para uma temperatura T2 de 85°C a 95°C (de preferência 90°C) e man- tida na temperatura T2 durante o período de redução de volume. Foi verifi- cado que a temperatura de redução de volume T2 é, de preferência, maior do que a temperatura de formação T1. Pode-se aplicar calor durante a redu- ção de volume por meio de um forno, elemento de aquecimento infraverme- lho, ou qualquer outro meio. Um vácuo é aplicado entre o diafragma 23 e a mesa 22, isso faz com que o diafragma forme gradualmente o formato mos- trado na figura 6 por meio de inúmeras posições intermediárias mostradas em linhas tracejadas e pontilhadas na figura 5. Opcionalmente, a pressão desavolumadora adicional pode ser proporcionada ao colocar a montagem em uma autoclave e ao aplicar pressão acima de 0,1 MPa (1 bar) ao lado externo do diafragma 23.

A diferença de pressão através do diafragma confere uma pres- são hidrostática uniforme sobre todas as áreas da carga. A ligação do dia- fragma 23 sobre os canais 43,44 faz com que o diafragma se estire, forne- cendo uma força de estiramento no plano do diafragma que é reagida pela carga onde esse se engata às regiões de superfície convexas da ferramenta macho (ou seja, nos cantos 61,62). Assim, a pressão desavolumadora apli- cada à carga varia sobre sua superfície entre uma pressão hidrostática pura (até a pressão atmosférica, ou além se uma autoclave for usada) onde esse se engata às regiões de superfície planas aproximadamente menos conve- xas sobre a parte superior e os lados da ferramenta, e uma pressão intensi- ficada nos cantos convexos 61,62 que compreende a pressão de estiramen- to adicionada à pressão hidrostática.

A redução de volume da carga é causada pela combinação de pressão e temperatura aumentada durante a etapa de redução de volume. A redução de volume também é auxiliada pela ação do diafragma 23 que se move gradualmente para baixo do braço vertical da carga através das posi- ções intermediárias mostradas na figura 5, pressionando o ar para fora da carga.

A figura 7 mostra o perfil externo da carga antes da redução de volume em linhas sólidas, e após a redução de volume em linhas tracejadas. O processo de redução de volume reduz a espessura da carga de uma es- pessura 70 antes da redução de volume para uma espessura 71 após a re- dução de volume. Nota-se que a espessura foi reduzida por uma quantidade similar tanto nas regiões não-planas como planas da carga. Em uma modali- dade, a espessura 70 é cerca de 34mm e a espessura 71 é cerca de 30mm. Após a redução de volume, os consumíveis 30 são removidos, a

carga desavolumada 20 é transferida para uma ferramenta de cura fêmea 80 mostrada na figura 8, e os consumíveis relativos aplicados à IML da carga 20. A ferramenta 80 é então colocada em uma autoclave onde essa é aque- cida a uma temperatura T3 de aproximadamente 180°C e pressurizada a aproximadamente 100 KPa (7 bar) para curar a carga.

A carga sobre a ferramenta de cura fêmea 80 possui uma es- pessura líquida, que significa que a superfície DVIL da carga não precisa se mover durante a cura. Portanto, a espessura da carga permanece constante nas regiões não-planas onde a carga se engata às superfícies de canto con- vexas 82,82 da ferramenta.

Em um processo alternativo, em vez de curar a carga sobre uma ferramenta fêmea 80 como mostrado na figura 8, a carga pode ser curada sobre a ferramenta macho 21 que é usada para moldagem e redução de volume. Nesse caso, as camadas sacrificiais podem ser adicionadas à linha de Molde Externo (OML) da carga para usinagem de modo a satisfazer as tolerâncias geométricas. O processo desavolumador a quente controla a es- pessura da Iongarina curada macho, e assim a variabilidade na parte é redu- zida e a espessura (ou número) de camadas sacrificiais é reduzida.

Uma alternativa para os processos de redução de volume e mol- dagem com único diafragma mostrados nas figuras 2 a 7 é mostrada na figu- ra 9. Nesse caso, em vez de utilizar um único diafragma 23, a carga 20 é

recebida entre um par de diafragmas 90,91. Durante a moldagem e redução de volume, a cavidade entre os diafragmas 90,91 é evacuada, bem como a cavidade entre o diafragma inferior 91 e a mesa 22. Os diafragmas colocam a carga em tensão, tornando-se mais fácil de moldar a carga sobre as ram- pas ou outros formatos complexos sobre a ferramenta macho.

Um conjunto alternativo de blocos varredores é mostrado na fi-

gura 10. Nesse caso, os blocos varredores com lados verticais 41,42 são substituídos por blocos varredores 100,101 com paredes laterais anguladas e curvadas que engatam a borda da carga 20 à medida que essa é formada.

Os processos descritos acima envolvem apenas uma única eta-

pa de formação (figura 3) e uma única etapa de redução de volume (figura 6). Entretanto, em uma modalidade alternativa, as etapas de formação e re- dução de volume podem ser repetidas para constituir um laminado de es- pessura aumentada. Dessa maneira, o processo nesse caso irá proceder como se segue:

1. moldar uma carga 20 (como na figura 3), tipicamente com 20

a 30 camadas;

2. adicionar consumíveis

3. desavolumar a carga (como na figura 6);

4. remover os consumíveis;

5. aplicar uma carga de prepreg plano adicional, tipicamente

com 20 a 30 camadas, sobre a carga moldada e desavolumada sobre a fer- ramenta macho 21; 6. moldar o prepreg plano adicional sobre a ferramenta macho 21 para formar um laminado de espessura aumentada;

7. adicionar consumíveis;

8. desavolumar o laminado;

9. repetir as etapas 4 a 8 quantas vezes forem necessárias para

constituir a espessura total requerida do laminado; e então

10. curar o laminado.

Tipicamente, a espessura total requerida de laminado é de até 100 camadas, assim o laminado é formado em até cinco etapas desavolu- madoras.

Nas modalidades acima, os blocos varredores 41,42 (ou 100,101) são introduzidos após a etapa de formação mostrada na figura 3. Entretanto, os blocos varredores também podem ser usados na etapa de formação bem como a etapa desavolumadora. Embora a invenção seja descrita acima com referência a uma ou

mais modalidades preferidas, será avaliado que diversas alterações ou mo- dificações podem ser feitas sem que se abandone o escopo da invenção como definido nas reivindicações em anexo.

Claims

1. Método para a fabricação de uma parte compósita, o método compreendendo: colocar uma carga sobre uma ferramenta macho que possui uma região de superfície convexa; desavolumar a carga sobre a ferramenta macho ao aplicar pres- são à carga, a pressão aplicada variando sobre a superfície da carga para ser intensificada onde a carga se engata à região de superfície convexa da ferramenta macho; e curar a carga sobre uma ferramenta fêmea que possui uma regi- ão de superfície côncava.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que a ferramen- ta macho compreende um par de regiões de superfície convexas separado por uma região que é menos convexa, e em que a pressão aplicada é maior nas regiões de superfície convexas do que na região menos convexa.

3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações an- teriores, em que a pressão é intensificada ao estirar uma membrana resilien- te sobre a carga onde essa se engata à(s) região(ões) convexa(s) da ferra- menta macho.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, em que a membra- na resiliente é estirada ao proporcionar um canal adjacente à ferramenta desavolumadora e ligar a membrana sobre o canal.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações an- teriores, em que a região de superfície convexa da ferramenta macho é cur- vada.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações an- teriores, em que a pressão é aplicada à carga ao colocar uma membrana contra a carga e evacuar uma cavidade entre a carga e a membrana.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações an- teriores, que compreende adicionalmente conformar a carga sobre a ferra- menta macho.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações an- teriores, compreendendo adicionalmente: laminar um conjunto de uma ou mais camadas de material sobre a carga desavolumada para formar um laminado; e desavolumar o laminado antes da etapa de cura.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações an- teriores, compreendendo adicionalmente, aplicar calor durante a redução de volume.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, compreendendo adicionalmente: conformar a carga sobre a ferramenta macho em uma primeira temperatura T1; aquecer e desavolumar a carga sobre a ferramenta macho em uma segunda temperatura T2; e curar a carga desavolumadora em uma terceira temperatura T3, onde T1 <T2<T3.

11. Método para a fabricação de uma parte compósita, o método compreendendo: formar uma carga em uma primeira temperatura T1; desavolumar a carga em uma segunda temperatura T2; e curar a carga desavolumada em uma terceira temperatura T3, em que T1<T2<T3.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, em que a carga é formada ao conformar a carga sobre uma ferramenta de conformação.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, em que a carga também é desavolumada sobre a ferramenta de conformação.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que a parte compósita é parte de um avião.

15. Parte compósita fabricada pelo método, como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.