BRPI0806735A2 - método para a união de um material termoplástico a um material de compósito de fibra - Google Patents

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BRPI0806735A2
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BR
Brazil
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fiber composite
composite material
thermoplastic material
thermoplastic
clamp
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BRPI0806735-0A
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Sabine Wlach
Juergen Schenk
Georg Wachinger
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Airbus Gmbh
Eads Deutschland Gmbh
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Abstract

"MéTODO PARA A UNIãO DE UM MATERIAL TERMOPLáSTICO A UM MATERIAL DE COMPOSITO DE FIBRA. A presente invenção refere-se a um método para a união de um material termoplástico (10) a um material compósito de fibra (11), o material termoplástico (10) sendo soldado ao material compósito de fibra (11), em que o material compósito de fibra é um material de matriz de fibra reforçada ou compreende um material de matriz de fibra reforçada, e em que o material de matriz é um compósito de endurecimento por calor ou compreende um compósito de endurecimento por calor. Preferencialmente, o material termoplástico (10) e o material compósito de fibra (11) são soldados juntos por soldagem por movimento e/ou por soldagem por indução. Adicionalmente, é preferível que, para a soldagem por indução preferida, um material eletricamente condutivo seja disposto em uma área de união entre o material termoplástico e o material compósito de fibra, e o calor de indução que é gerado no material eletricamente condutivo seja suficiente para induzir o material termoplástico a iniciar a fundir e a aquecer o material compósito de fibra.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA A UNIÃO DE UM MATERIAL TERMOPLÁSTICO A UM MATERIAL DE COMPÓSITO DE FIBRA".
A presente invenção refere-se a um método de união de um ma- terial termoplástico a um material compósito de fibra. Adicionalmente, a in- venção refere-se a um dispositivo compreendendo um material termoplástico e um material compósito de fibra.
Em construção de aeronaves, em particular, materiais termo- plásticos são freqüentemente fixados a materiais de fibra compósitos por meio de fixação mecânica, por exemplo, por meio de parafusos, ou por fixa- ção por adesivo. Por exemplo, braçadeiras plásticas que compreendem ma- terial termoplástico são freqüentemente fixadas a componentes, tais como, por exemplo, a um painel de parede lateral ou a uma caixa de porta-chapéu, que compreende material compósito de fibra dentro de uma área pressuriza- da, por exemplo, dentro de uma área de cabine de uma aeronave.
A fixação por adesivo de braçadeiras de plástico compreenden- do material termoplástico a componentes compreendendo material compósi- to de fibra requer um pré-tratamento muito complexo das superfícies aderen- tes das braçadeiras plásticas. As superfícies têm primeiro que ser tornadas ásperas e então pré-tratadas com um primer. Somente após esse pré- tratamento as braçadeiras de plástico podem ser fixadas por adesão aos componentes. Então é necessário esperar por um certo período de tempo, como regra de 5 a 8 horas, até que o adesivo tenha sido curado e exiba a necessária força inicial de adesão. Adesivos que são curados por calor são também freqüentemente usados. Quando são utilizados tais adesivos, as braçadeiras de plástico e os componentes a serem unidos têm que ser cura- dos por até 48 horas em um forno. O processo de fixação por adesivo é as- sim muito complexo e demorado. Além disso, os adesivos incluem constitu- intes que são danosos para a saúde.
Alternativamente ou em adição, braçadeiras de plástico compre- endendo material termoplástico são freqüentemente fixadas aos componen- tes compreendo material compósito de fibra por meio de parafusos. Isso tem a desvantagem, contudo, de que o tamanho e a posição dos orifícios para os parafusos têm que ser conhecidos com antecedência durante a produção das braçadeiras de plástico e os componentes e que, na hipótese de uma mudança de posição de fixação nos componentes e/ou nas braçadeiras de plástico, novos orifícios têm que ser introduzidos. Isso é desvantajoso para todo o processo de produção.
É o objetivo da presente invenção prover um método para a uni- ão de um material termoplástico a um material compósito de fibra que seja menos complexo e demorado do que os métodos de fixação por adesivo conhecidos, que, além disso, não usa quaisquer substâncias adicionais da- nosas para a saúde e que torna mais simples a mudança da posição na qual um material termoplástico é unido a um material compósito de fibra compa- rado com à fixação mecânica, tal como, por exemplo, por meio de parafusos.
Esse objetivo é alcançado por um método de união de um mate- rial termoplástico a um material compósito de fibra, no qual o material termo- plástico é soldado a um material compósito de fibra, em que o material com- pósito de fibra é um material de matriz de fibra reforçada ou compreende um material de matriz de fibra reforçada e em que o material de matriz é um compósito de endurecimento por calor ou compreende um compósito de en- durecimento por calor.
Por soldagem do material termoplástico ao material compósito de fibra, o tempo necessário para a união dos materiais é grandemente re- duzido. Ele atinge, em particular, apenas alguns segundos. Adicionalmente, geralmente os materiais não têm que ser pré-tratados, e não são requeridas quaisquer substâncias prejudiciais a saúde. Além disso, nenhum orifício tem que ser formado nos componentes e braçadeiras de plástico, desse modo tornando mais fácil mudar a posição na qual o material termoplástico é unido ao material compósito de fibra.
É preferível para o material termoplástico ser soldado ao materi- al compósito de fibra por "soldagem por movimento". O termo "soldagem por movimento" cobre qualquer movimento relativo entre o material termoplásti- co e o material compósito de fibra, que gera calor de movimento na área de união que é suficiente para soldar o material termoplástico e o material com- pósito de fibra. É adicionalmente preferível para o material termoplástico e o material compósito de fibra serem móveis com relação um ao outro durante o movimento de soldagem, em particular, em uma forma em que o material termoplástico é móvel com relação ao material compósito de fibra, de modo que o material termoplástico inicie a fundir e o material compósito de fibra seja aquecido. É adicionalmente preferível para o material termoplástico e o material compósito de fibra serem móveis com relação um ao outro durante a soldagem por movimento, em particular, de uma forma em que o material termoplástico é movido com relação ao material compósito de fibra e o mate- rial termoplástico e o material compósito de fibra são pressionados um con- tra o outro, de tal maneira que o material termoplástico inicie a fundir e o ma- terial compósito de fibra seja aquecido.
Em uma maneira simples, a soldagem por movimento permite que um calor do movimento, em particular, um calor por atrito, ser gerado na área de união entre o material termoplástico e o material compósito de fibra, que seja suficiente para soldar os dois materiais juntos.
No mesmo sentido, a energia da soldagem por movimento pode também ser usada para a remoção direcionada do material termoplástico.
O movimento relativo pode ser gerado, por exemplo, pelo movi- mento de rotação e/ou pelo movimento de vibração do material termoplástico e do material compósito de fibra com relação um ao outro. Quando se usa um movimento de vibração, o material compósito de fibra e o material ter- moplástico são preferencialmente unidos pela soldagem por vibração. Na soldagem por vibração, calor de atrito é gerado pelo movimento vibratório na área de união entre o material termoplástico e o material compósito de fibra, que é suficiente para soldar juntos os dois materiais.
É adicionalmente preferível para o material termoplástico ser soldado ao material compósito de fibra por soldagem por indução. Para esse propósito, um material eletricamente condutivo é disposto em uma área de união entre o material termoplástico e o material compósito de fibra e calor por indução é gerado no material eletricamente condutivo, que é suficiente para induzir o material termoplástico a iniciar a fundir e a aquecer o material compósito de fibra. Na soldagem por indução, correntes são preferencial- mente induzidas no material eletricamente condutivo que geram o calor por indução por meio de efeitos de resistência e/ou de histerese magnética. Pre- ferencialmente, para gerar o calor por indução, partículas metálicas e/ou camadas metálicas e/são introduzidas na área de união entre o material ter- moplástico e o material compósito de fibra.
É adicionalmente preferível que o material eletricamente condu- tivo seja uma folha de metal esticada e ranhurada, por exemplo, uma folha de metal com o nome comercial, por exemplo, Astrostrike. O material eletri- camente condutivo é preferencialmente feito de e/ou compreende alumínio e/ou cobre. É adicionalmente preferível que o material eletricamente condu- tivo seja um material tecido metálico e/ou uma camada metálica. É adicio- nalmente preferível que o material eletricamente condutivo compreenda ou seja constituído de partículas nano metálicas. O material eletricamente con- dutivo, em particular, a camada metálica, é preferencialmente gerada por um método de pulverização de um ou diversos pós-metálicos térmicos, que po- dem compreender um ou diversos metais, ou pelo uso de uma técnica de sinterização com um ou diversos metais ou por fundição de uma ou diversas folhas de metal e/ou de um ou diversos materiais de soldagem, em particu- lar, de um material termoplástico.
É adicionalmente preferível que o calor por indução seja gerado pelo uso de uma freqüência média ou uma freqüência alta. Em uma modali- dade preferida, é usada uma freqüência dentro de uma faixa de freqüências de 10 a 50 kHz, em particular, com uma potência dentro de uma faixa de 2 a 5 kW. Em uma modalidade adicional preferida, é usada uma freqüência den- tro de uma faixa de freqüências de 400 kHz a 1 MHz, em particular, com uma potência menor do que 25 kW.
Em uma modalidade adicionalmente preferida, o material com- pósito de fibra compreende um material CFRP e um calor por indução é ge- rado no material CFRP, particularmente, sem utilizar um material eletrica- mente condutivo adicional. O calor por indução é preferencialmente gerado próximo da superfície do material CFRP.
O material compósito de fibra é um material de matriz de fibra reforçada ou compreende um material de matriz de fibra reforçada. O mate- rial de matriz é um compósito de endurecimento por calor ou compreende um compósito de endurecimento por calor. É preferível para as fibras do ma- terial compósito de fibra serem orientadas de forma unidirecional ou forma- rem um pano tecido. O material compósito de fibra é, portanto, preferencial- mente um plástico de fibra reforçado (FRP), isto é, em particular um material de matriz de compósito de endurecimento por calor e/ou termoplástico refor- çaao provido com fibras unidirecionais ou fibras formando um pano tecido. É adicionalmente possível para o material compósito de fibra ser produzido usando uma resina, em particular, uma resina de poliadição e/ou de policon- densação. O material compósito de fibra é, preferencialmente, disposto em uma estrutura em colmeia, em particular, uma estrutura em colmeia Nomex. Nesse caso, a estrutura em colmeia toma a forma particular de uma camada, e o material compósito de fibra é aplicado em camadas em dois lados volta- dos um para o outro da estrutura em colmeia.
Pode ser feita provisão para o material termoplástico ser consis- tido em um ou mais termoplásticos de engenharia ou compreender um ou mais termoplásticos de engenharia. Provisão pode ser adicionalmente feita para o material termoplástico consistir em poliamida ou compreender polia- mida. Adicionalmente, o material termoplástico pode consistir em um ou compreender um polieterimida (PEI) e/ou poliéterétercetona (PEEK). Em uma modalidade preferida, o material termoplástico compreende um reforço de fibra, em particular, um reforço de fibra curta, em que as fibras podem ser, por exemplo, fibras de carbono e/ou fibras de vidro. Em uma modalidade adicionalmente preferida, o material termoplástico não compreende um re- forço de fibra.
Pelo uso desse material compósito de fibra e materiais termo- plásticos, é possível produzir uma união particularmente boa entre esses materiais usando o método de acordo com a invenção.
É adicionalmente preferível para o material termoplástico ser um constituinte de uma braçadeira, em particular, uma braçadeira de suporte, ou para a braçadeira consistir em um material termoplástico, e para o material compósito de fibra ser um constituinte de um componente ou para o compo- nente consistir em um material compósito de fibra, de modo que o material termoplástico da braçadeira seja soldado junto com o material compósito de fibra do componente, de modo a unir a braçadeira ao componente para for- mar uma disposição de braçadeira. Uma braçadeira pode, dessa forma, ser unida simples e rapidamente a um componente.
Se o material compósito de fibra é unido ao material termoplásti- co pela soidagem por movimento, é preferível para a braçadeira de material termoplástico ser ajustada em movimento, enquanto o material compósito de fibra do componente, ao qual ela deve ser unida, não se move.
Provisão pode ser feita para o componente ser um painel de pa- rede lateral em uma aeronave, preferencialmente em um espaço na aerona- ve que é pressurizável quando em operação, em particular, no espaço da cabine da aeronave, e/ou em uma caixa de porta-chapéu da aeronave ou a uma parte do painel de parede lateral e/ou a uma parte da caixa de porta- chapéu. Adicionalmente, é preferível para o método ser executado dentro de uma aeronave, preferencialmente dentro de um espaço pressurizável quan- do em operação, em particular, dentro de um espaço da cabine de uma ae- ronave. O método de acordo com a invenção assim torna possível simples, rápida e de forma confiável produzir uma união soldada entre um material termoplástico e um material compósito de fibra, em particular, em uma aero- nave.
A braçadeira é preferencialmente assim construída, de modo a que possa sustentar os objetos desejados.
A invenção adicionalmente refere-se a um dispositivo compre- endendo um material termoplástico e um material compósito de fibra, o ma- terial termoplástico e o material compósito de fibra compreendendo uma uni- ão que pode ser produzida pelo método de acordo com a invenção.
Configurações preferidas do dispositivo são listadas nas reivindi- cações 20 a 24. Modalidades preferidas da invenção são explicadas em mais detalhes abaixo com referência aos desenhos, nos quais:
A figura 1 é uma vista esquemática de um dispositivo com o qual uma modalidade do método de acordo com a invenção pode ser executado;
A figura 2 ilustra uma estrutura em camadas de uma união de acordo com a invenção entre um material FRP e um material termoplástico;
A figura 3 ilustra um sanduíche com o material FRP;
A figura 4 ilustra uma vista esquemática de uma aeronave com um espaço de cabine, no qual uma disposição de braçadeira é disposta, e
A figura 5 ilustra uma vista em corte transversal esquemática de uma braçadeira compreendendo um material termoplástico.
A figura 1 ilustra uma vista esquemática de um dispositivo 1 para unir um material termoplástico a um material compósito de fibra, em que o material compósito de fibra é um material de matriz de fibra reforçada ou compreende um material de matriz de fibra reforçada, e em que o material de matriz é um compósito de endurecimento por calor ou compreende um compósito de endurecimento por calor. O dispositivo 1 compreende uma u- nidade de rotação e levantamento 2 e uma unidade de controle 3, que é co- nectada a uma unidade de rotação e levantamento 2 e controla a mesma. O dispositivo 1 adicionalmente compreende um suporte de braçadeira 4, ao qual uma braçadeira 5 pode ser fixada de forma destacável. O suporte de braçadeira 4 é mantido de forma giratória e ajustável em altura na unidade de rotação e levantamento, tal que a unidade de rotação e levantamento 2 pode girar a braçadeira 5 por meio do suporte de braçadeira 4 e modificar sua posição com relação à altura. O dispositivo 1 adicionalmente compreen- de um suporte de material compósito de fibra 6, no qual o material compósito de fibra 7, nessa modalidade de material FRP, é mantido.
Por meio do dispositivo 1, uma braçadeira 5, por exemplo, na posição da altura ilustrada na figura 1, pode ser inserida no suporte de bra- çadeira 4. Adicionalmente, um material compósito de fibra 7, em particular, um material FRP, pode ser inserido no suporte de material compósito de fi- bra 6. Uma vez que a braçadeira 5 e o material compósito de fibra 7 tiverem sido inseridos nos suportes 4, 6 correspondentes, o suporte de braçadeira 4 é movido na direção do material compósito de fibra 7, de modo que a braça- deira 5 entre em contato com o material compósito de fibra 7 com uma pres- são predeterminada. Antes, durante ou após a estruturação da pressão pre- determinada entre a braçadeira 5 e o material compósito de fibra 7, a braça- deira 5 inicia a girar com uma freqüência predeterminada devido ao suporte de braçadeira 4. Como resultado do movimento de rotação, a superfície da braçadeira 5, que consiste em um material termoplástico ou compreende um material termoplástico, e a superfície do material compósito de fibra 7 se es- fregam uma contra a outra, de modo a produzir calor por movimento. Esse processo de movimento é mantido até que um calor por movimento tenha sido gerado que seja suficiente para unir as duas superfícies juntas. O mo- vimento é então parado, e as superfícies resfriadas. A fase de aquecimento e a fase de resfriamento de cada um duram somente alguns poucos segun- dos, em particular, cada fase dura menos do que 5 segundos.
A figura 4 ilustra uma vista em corte esquemática de uma aero- nave 30 com uma área de cabine 31 pressurizável quando em operação. Dentro da área de cabine 31, um componente 32 é disposto compreendendo um material compósito de fibra, em particular, um material FRP, ou consisti- do no mesmo. O componente 32 é unido a uma braçadeira 33, que compre- ende um material termoplástico ou é consistido em um material termoplásti- co. A união entre o componente 32 e a braçadeira 33 pode ser produzida pelo método acima descrito de acordo com a invenção.
A união entre o material compósito de fibra e o material termo- plástico difere a partir de uma união soldada entre outros materiais. Em par- ticular, a estrutura microscópica da união entre um material termoplástico e um material compósito de fibra, que pode ser produzido por meio do método de acordo com a invenção, difere da estrutura microscópica de uma união soldada entre outros materiais, por exemplo, entre dois materiais metálicos.
Na figura 1, o material compósito de fibra 7 é mantido por um suporte de material compósito de fibra 6. De acordo com a invenção, contu- do, o material compósito de fibra 7 pode também ser parte de um compo- nente maior, por exemplo, um painel de parede lateral ou uma caixa de por- ta-chapéu, que é sustentado tanto por um suporte correspondente quanto, já montado, por exemplo, em uma área de cabine de uma aeronave. No último caso, nenhum suporte é necessário para manter o material compósito de fibra ou para manter o componente.
A unidade de rotação e levantamento 2 e a unidade de controle 3 podem tomar a forma, por exemplo, de um dispositivo estacionário descrito na US 5.160.393. Alternativamente, a unidade de rotação e levantamento 2, a unidade de controle 3 e o suporte de braçadeira 4 podem também ser de uma construção portátil.
A braçadeira 5 compreende o material termoplástico pelo menos na área da união com o material compósito de fibra, cujo material é unido ao material compósito de fibra em uma maneira de acordo com a invenção. Uma seqüência resultante de camadas na área de união é ilustrada esque- maticamente na figura 2. O material termoplástico 10 é soldado ao material compósito de fibra 11. Nessa modalidade, o material compósito de fibra 11 é aplicado a uma estrutura em colmeia 12, em particular, a uma estrutura em colmeia Nomex. Preferencialmente, a estrutura em colmeia 12 é aplicada por sua vez a uma segunda camada 13 de material compósito de fibra.
O material termoplástico 10 é, preferencialmente, um termoplás- tico engenheirado e, mais preferencialmente, uma poliamida. De acordo co- ma a invenção, contudo, o material termoplástico pode também ser um ter- moplástico-padrão ou um termoplástico de alto desempenho. O termoplásti- co engenheirado usado pode, preferencialmente, ser o PA66 (sem ou com fibras de vidro), em particular, PA66-GF30 e PA60-GF30, PA12, PC (policar- bonato) ou PMMA. Os materiais PA66, PA12 e PC são, preferencialmente, providos com um retardante de chamas e, portanto, preferencialmente com- preendem, particularmente, boas características ao fogo.
O termoplástico de alta desempenho usado, preferencialmente, pode ser o PEI (polieterimida), sem ou com fibras de vidro, e modificações reforçadas com fibra de vidro do mesmo. Adicionalmente, materiais termo- plásticos de alto desempenho podem ser, por exemplo, poli-éter-cetona a- romático (PAEK), PPSU (polifenilsulfona) e PAI (poliamidaimida).
O material compósito de fibra 11, que é preferencialmente um material FRP1 pode, por exemplo, compreender fibras de carbono e/ou fibras de vidro, em particular um material CFRP e/ou um material GRP. O material compósito de fibra é, preferencialmente, produzido usando uma resina, em particular, usando uma resina de policondensação e/ou de poliadição. A se- qüência de camadas compreendendo as camadas de material compósito de fibra 11, 13 e uma estrutura em colmeia interposta 12 é também conhecida como um sanduíche. Uma espuma pode ser usada no lugar de, ou em adi- ção, a estrutura em colmeia 12.
A figura 3 é um diagrama esquemático de um sanduíche com uma camada de material compósito de fibra 11 no topo da figura 3 e uma camada de material compósito de fibra 13 no fundo na figura 3, essas encer- rando uma camada 14 com uma estrutura em colmeia 15 ou uma espuma 16. Por razões de clareza, na figura 3, parte da camada de material compó- sito de fibra 11 foi removido. Preferencialmente, a camada de material com- pósito de fibra 11 cobre completamente a camada 14. Por razões de clareza, na figura 3, tanto a estrutura em colmeia 15 quanto a espuma 16 são adicio- nalmente ilustradas. É preferível, contudo, para o sanduíche compreender somente uma estrutura em colmeia 15 ou uma espuma 16 entre as camadas de material compósito de fibra 11, 13. A estrutura em colmeia é, preferenci- almente, uma estrutura em colmeia Nomex.
As camadas 11, 13 de material compósito de fibra preferencial- mente tem uma espessura na faixa de 0,1 a 0,2 mm e, mais preferencial- mente, uma espessura de 0,15 mm.
A seqüência microscópica do processo de união pode possivel- mente ser descrita como segue.
Durante a soldagem, a superfície do material termoplástico pas- sa por uma fase de alta viscosidade, que fica acima da faixa de transição de vidro e abaixo do ponto de fusão. Isso meramente significa que o material termoplástico iniciou a se fundir. Ao mesmo tempo, a superfície do material compósito de fibra é aquecida e entra em uma união quase química com a fase de alta viscosidade do material termoplástico. Se o material compósito de fibra compreende resinas, em particular, resinas de poliadição e/ou de policondensação, as resinas que podem ainda ser não-curadas, entram em uma união quase química com a fase de alta viscosidade do material termo- plástico, isto é, as resinas podem não ser curadas completamente, por e- xemplo, mais do que 50 por cento das resinas podem ser curadas, em parti- cular, mais do que 80 por cento podem ser curadas, em que as resinas não- curadas podem entrar em uma união quase química com a fase de alta vis- cosidade do material termoplástico. Além disso, a união acontece pelo fato de o materiai termoplástico de alta viscosidade da braçadeira ser estirado através de micro poros no material compósito de fibra, tal que o material termoplástico penetra no material compósito de fibra, de modo a produzir a união. O material termoplástico de alta viscosidade pode, além disso, ser estirado no material compósito de fibra e através do material compósito de fibra de tal forma que ele efetua a ancoragem no lado do material compósito de fibra remoto a partir do material termoplástico e, assim, produzir a união. A fase de alta viscosidade do material termoplástico pode, em particular, ser estirada através do material compósito de fibra quando o material compósito de fibra é aplicado a uma estrutura em colmeia, como ilustrado, por exemplo, na figura 2. Devido à porosidade do material compósito de fibra, um efeito de capilaridade pode surgir na direção da estrutura em colmeia, que pode pelo menos induzir o material termoplástico de alta viscosidade a ser estirado no material compósito de fibra.
Em uma outra modalidade, o material termoplástico é soldado ao material compósito de fibra por soldagem por indução, em que um material eletricamente condutivo é disposto em uma área de união entre o material termoplástico e o material compósito de fibra. É preferido que o material ele- tricamente condutivo seja uma folha de metal ranhurado e esticado, por e- xemplo, uma folha de metal com o nome comercial Astrostrike. O material
eletricamente condutivo é, preferencialmente, feito de e/ou compreende a- lumínio e/ou cobre. Em uma outra modalidade alternativa, o material eletri- camente condutivo é um material tecido metálico e/ou uma camada metálica. Em uma modalidade adicionalmente preferida, o material eletricamente con- dutivo compreende ou consiste em partículas nano metálicas. O material eletricamente condutivo, em particular, a camada metálica é, preferencial- mente, gerada por um método de pulverização térmica de um ou diversos pós-metálicos, que pode compreender um ou diversos metais, ou pelo uso de uma técnica de sinterização com um ou diversos metais ou pela fundição de uma ou diversas folhas metálicas e/ou de um ou diversos materiais de solda, em particular, no material termoplástico.
Em uma modalidade preferida, o calor por indução é gerado pelo uso de uma freqüência média ou de uma freqüência alta. É preferível que uma freqüência dentro de uma faixa de freqüências de 10 a 50 kHz seja u- sada, em particular, com uma potência dentro de uma faixa de 2 a 5 kW. Em uma modalidade adicional preferida, uma freqüência dentro de uma faixa de freqüências de 400 kHz a 1 MHz é usada, em particular, com uma potência menor do que 25 kW.
Em uma modalidade adicional preferida, o material compósito de fibra compreende um material CFRP e um calor por indução é gerado no material CFRP, em particular, sem usar um material eletricamente condutivo adicional. O calor por indução é preferencialmente gerado próximo da super- fície do material CFRP.
Exemplos do método de acordo com a invenção para a união de um material termoplástico a um material compósito de fibra são abaixo des- critos.
Exemplo 1
De acordo com o Exemplo 1, uma braçadeira, que compreende um material termoplástico e é ilustrada esquematicamente por meio de e- xemplo na figura 5, é unida a um material compósito de fibra, que nessa mo- dalidade é um material FRP.
Nessa modalidade exemplificativa, a braçadeira 33 compreende uma parte de fixação na forma de disco 34, que é unida ao material FRP, e um elemento de suporte 35. A parte de fixação 34 e o elemento de suporte 35 têm um conteúdo de poliamida PA66 de 70% e um conteúdo de fibra de vidro de 30%. O elemento de suporte 35 serve para manter um objeto, tal como, por exemplo, um contato elétrico ou objetos mais pesados. A espes- sura da parte de fixação nesse exemplo monta a 2,2 mm e o diâmetro da parte de fixação nesse exemplo monta a 24 mm.
Nesse exemplo, o material FRP é um laminado GRP, a camada externa superior do laminado, com a qual a superfície 36 da braçadeira 33 deve ser conectada, sendo de 40% de resina e 60% de tecido de fibra de vidro. A espessura do laminado monta a 2 mm.
A braçadeira é fixada no suporte de braçadeira 4 do dispositivo 1 ilustrado esquematicamente na figura 1. Adicionalmente, o laminado GRP, isto é, o material FRP, é fixado no suporte 6 do dispositivo 1. A braçadeira é então pressionada por meio da unidade de rotação e levantamento 2 ao su- porte de braçadeira 4 sobre o laminado GRP e virada com relação ao lami- nado GRP, de modo a gerar calor por movimento e a unir o laminado GRP na braçadeira.
A pressão que atua durante o processo de soldagem entre a braçadeira e o material FRP monta nesse exemplo a 50, 100 e 150 KPa (0,5, 1,0 e 1,5 bar). Para cada uma dessas pressões, uma união foi produzida, nesse exemplo, de acordo com a invenção, entre a braçadeira, que compre- ende o material termoplástico, e o material FRP. Durante o processo de sol- dagem, a braçadeira que compreende o material termoplástico, é girada com relação ao material FRP, nessa modalidade exemplificativa, em uma fre- qüência angular de 120 Hz. A profundidade da solda monta nessa modalida- de exemplificativa a 0,35 mm. Nessa modalidade exemplificativa, o processo de soldagem foi controlado por meio da profundidade da solda, isto é, o pro- cesso de soldagem foi terminado tão logo a profundidade predeterminada da solda foi alcançada.
Para verificar as uniões entre o material termoplástico e o mate- rial FRP, força de tensão de cisalhamento foi determinada. Cada uma das uniões produzidas de acordo com a invenção teve excelentes forças de ten- sões de cisalhamento. Essas forças de tensão de cisalhamento são suficien- tes, por exemplo, para fixar as braçadeiras para manter objetos pesados nos componentes FRP.
Exemplo 2
Também nesse exemplo, é usada a braçadeira descrita no E- xemplo 1. Nesse exemplo, o material FRP é um laminado CFRP, a camada externa superior do laminado, à qual a braçadeira é unida, sendo de 45 % de resina e 55 % de tecido de fibra de carbono. A espessura do laminado monta em 2 mm.
O método de acordo com a invenção para conectar um material termoplástico (braçadeira) a um material FRP (superfície do laminado CFRP) foi executado usando o dispositivo 1 ilustrado esauematicamente na figura 1.
Nesse exemplo, a freqüência angular monta a 160 Hz e o tempo de soldagem a 3 s. O tempo de soldagem é o tempo durante o qual a braça- deira é movida com relação ao material FRP a uma pressão predeterminada, que monta nesse exemplo a 100 KPa (1,0 bar), está presente entre o mate- rial termoplástico e o material FRP. O processo de soldagem é regulado nesse exemplo por meio do tempo de soldagem, isto é, o processo de sol- dagem foi executado em cada caso para 3 s. Também nesses exemplos, a força de tensão de cisalhamento foi determinada.
Uniões entre um material termoplástico e um material FRP pro- duzidos com os parâmetros de teste de acordo com o Exemplo 2 exibem excelente forças de tensão de cisalhamento, que são suficientes, por exem- plo, para fixar uma braçadeira ao material termoplástico para manter objetos pesados em um componente FRP.
Apesar da soldagem por movimento ter sido descrita nos exem- pio, a invenção não está limitada a soldagem de movimento. De acordo com a invenção, qualquer tipo de soldagem pode ser usado levando ao desen- volvimento de calor que é suficiente para produzir a união de acordo com a invenção. Por exemplo, o calor pode também ser introduzido por meio de radiação, em particular, por soldagem por infravermelho ou soldagem a Ia- ser. Alternativamente ou em adição, o calor pode também ser introduzido por convecção, em particular por soldagem a gás quente ou soldagem por extru- são ou por soldagem sem contato usando ar quente. Adicionalmente, o material termoplástico pode ser soldado junto com o material compósito de fibra por soldagem por indução. Para esse pro- pósito, um material eletricamente condutivo é disposto em uma área de uni- ão entre o material termoplástico e o material compósito de fibra e calor por indução é gerado no material eletricamente condutivo, que é suficiente para induzir o material termoplástico a iniciar a fundir e a aquecer o material com- pósito de fibra. Na soldagem por indução, correntes são preferencialmente induzidas no material eletricamente condutivo para gerar o calor por indução por meio de efeitos de resistência e/ou por histerese magnética. Preferenci- almente, para gerar o calor por indução, partículas metálicas e/ou camadas metálicas é/são introduzidas na área de união entre o material termoplástico e o material compósito de fibra.
Apesar de a invenção ter sido descrita por meio de exemplo com referência à braçadeira, que é unida a um material FRP1 a invenção não está restrita a união de uma braçadeira a um material FRP. De acordo com a in- venção, outros objetos que compreendem material termoplástico e/ou con- sistem no mesmo podem ser unidos ao material compósito de fibra, em par- ticular, ao material FRP. A invenção não está também restrita a formas es- pecíficas de braçadeiras.
Adicionalmente, a invenção não está restrita ao movimento cir- cular entre o material termoplástico e o material compósito de fibra. De acor- do com a invenção, qualquer movimento relativo entre esses dois materiais, durante o qual o material compósito de fibra e o material termoplástico estão em contato um com o outro, pode ser usado de modo a gerar o calor do mo- vimento necessário para o processo de soldagem. Esse movimento relativo pode ser compósito de movimento giratório e de movimento linear. Adicio- nalmente, o movimento relativo pode também ser apenas movimento linear.
A invenção não está restrita a pressões, tempos de soldagem, profundidades da solda ou freqüências informadas na modalidade exemplifi- cativa. Como já foi explanado acima, de acordo com a invenção, qualquer movimento relativo desejado entre o material termoplástico e o material compósito de fibra pode ser executado e quaisquer pressões desejadas po- dem ser usadas entre o material compósito de fibra e o material termoplásti- co, uma vez que o calor de movimento gerado seja suficiente para soldar esses dois materiais juntos.

Claims (24)

1. Método para a união de um material termoplástico (10) a um material compósito de fibra (11), o material termoplástico (10) sendo soldado ao material compósito de fibra (11), em que o material compósito de fibra é um material de matriz de fibra reforçada ou compreende um material de ma- triz de fibra reforçada, e em que o material de matriz é um compósito de en- durecimento por calor ou compreende um compósito de endurecimento por calor.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o materiai termoplástico (10) é soldado ao material compósito de fibra (11) por soldagem por movimento.
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que, durante o movimento de soldagem, o material termoplástico (10) e o material compósito de fibra (11) são movidos com relação um ao outro de tal forma que o material termoplástico (10) inicia a fundir e o material compósito de fibra (11) é aquecido.
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que, durante o movimento de soldagem, o material termoplástico (10) e o material compósito de fibra (11) são movidos com relação um ao outro de tal forma que o material termoplástico (10) e o material compósito de fibra (11) são pressionados um contra o outro de tal maneira que o material ter- moplástico (10) inicia a fundir e o material compósito de fibra (11) é aquecido.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre- cedentes, caracterizado pelo fato de que o material termoplástico é soldado ao material compósito de fibra por soldagem por indução.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um material eletricamente condutivo é disposto em uma área de união entre o material termoplástico e o material compósito de fibra eoa- quecimento por indução é gerado no material eletricamente condutivo sendo suficiente para induzir o material termoplástico a iniciar a fundir e aquecer o material compósito de fibra.
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, em que o material eletricamente condutivo é uma folha metálica ranhurada e esticada.
8. Método, de acordo com a reivindicação 5, em que o calor por indução é gerado pelo uso de uma freqüência média ou uma freqüência alta.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre- cedentes, caracterizado pelo fato de que as fibras do material compósito de fibra são orientadas de forma unidirecional ou formam um pano tecido.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material compósito de fibra (11) compreende fibras de carbono e/ou fibras de vidro, preferencialmente, um material CFRP e/ou um material GRP.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações predecentes, caracterizado pelo fato de que o material compósito de fibra (11) é produzido usando uma resina, em particular, usando uma resina de poliadição e/ou de policondensação.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material compósito de fibra (11) é disposto em uma estrutura em colmeia (15), em particular, uma col- meia Nomex.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a estrutura em colmeia (15) toma a forma de uma camada e o material compósito de fibra (11) é aplicado em camadas em dois lados vol- tados um para o outro da estrutura em colmeia (15).
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material termoplástico (10) consiste em um ou mais termoplásticos engenheirados ou compreende um ou mais termoplásticos engenheirados.
15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material termoplástico (10) consiste em poliamida ou compreende poliamida.
16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material termoplástico (10) é um constituinte de uma braçadeira (33) ou que a braçadeira (33) consiste no material termoplástico (10), e em que o material compósito de fibra (11) é um constituinte de um componente (32) ou que o componente (32) consiste no material compósito de fibra (11), tal que o material termoplástico (10) da bra- çadeira (33) é soldado junto com o material compósito de fibra (11) do com- ponente (32), de modo a unir a braçadeira (33) ao componente (32) para formar uma disposição de braçadeira.
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o componente é um painel de parede lateral em uma aero- nave (30), preferencialmente, em um espaço (31) na aeronave que é pressu- rizável quando em operação, e/ou uma caixa de porta-chapéu da aeronave ou uma parte do painel da parede lateral e/ou uma parte da caixa de porta- chapéu.
18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o método é executado dentro de uma aeronave (30), preferencialmente, dentro de um espaço (31) em uma aeronave (30) pressurizável quando em operação.
19. Dispositivo, compreendendo um material termoplástico (10) e um material compósito de fibra (11), em que o material termoplástico (10) e o material compósito de fibra (11) compreendem uma união, em que o material compósito de fibra é um material de matriz de fibra reforçada ou compreende um material de matriz de fibra reforçada e em que o material de matriz é um compósito de endurecimento por calor ou compreende um compósito de en- durecimento por calor, a união sendo produzível utilizando um método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 18.
20. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 19, em que o dis- positivo compreende uma seqüência de camadas com uma primeira camada compreendendo ou consistindo em um material termoplástico (10), uma se- gunda camada unida à primeira camada pela união e compreendendo ou consistindo no material compósito de fibra (11) e uma terceira camada (12), que é disposta no lado da segunda camada remota a partir da união, com- preendendo ou consistindo em uma estrutura em colmeia e/ou de uma es- puma.
21. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações -19 ou 20, caracterizado pelo fato de que o dispositivo compreende uma dis- posição de braçadeira com uma braçadeira (33) e um componente (32), o material termoplástico (10) sendo um constituinte da braçadeira (33) ou a braçadeira (33) compreendendo o material termoplástico (10), o material compósito de fibra (11) sendo um constituinte do componente (32) ou o componente (32) compreendendo o material compósito de fibra (11), a bra- çadeira (33) sendo unida ao componente (32) pela união.
22. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o componente é um painel de parede lateral em uma aero- nave (30), preferencialmente, em um espaço (31) na aeronave que é pressu- rizável quando em operação, preferencialmente, no espaço da cabine da aeronave, e/ou uma caixa de porta-chapéu da aeronave (30) ou uma parte do painel de parede lateral e/ou uma parte da caixa de porta-chapéu.
23. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações -21 ou 22, caracterizado pelo fato de que a disposição de braçadeira é dis- posta dentro de uma aeronave (30), preferencialmente, dentro de um espaço em uma aeronave (30) pressurizável quando em operação.
24. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações -19 a 23, caracterizado pelo fato de que o dispositivo é uma aeronave (30).
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