BRPI0920627B1

BRPI0920627B1 - método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida

Info

Publication number: BRPI0920627B1
Application number: BRPI0920627-2A
Authority: BR
Inventors: Gilbertson Brock; Goering Jonathan; Ouellette Kenneth
Original assignee: Albany Eng Composites Inc
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2019-10-29
Also published as: JP2012507641A; CN102223997A; MX2011004343A; ZA201103004B; AU2009311407B2; CA2741794C; KR101700973B1; TW201024491A; CA2741794A1; US8127802B2; TWI506172B; JP5608664B2; CN104875293A; RU2011116268A; ES2671375T3; EP2367674B1; EP2367674A1; RU2530377C2; WO2010053754A1; US20100105268A1

Abstract

método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida uma pré-forma tecida (200) para um material compósito reforçado, que pode ser tecido plano e dobrado no formato. a pré-forma (200) tem uma arquitetura de tecelagem tridimensional com fibras de enchimento tecidas para proporcionar intertravamento das camadas de fibras de urdidura camada a camada (216), assim como também intertravamento das fibras dentro de cada camada. pelo menos duas pernas (225, 235) se estendem a partir de uma base (220), tendo a base e as pernas, cada uma, pelo menos duas camadas de fibras de urdidura. as pernas podem ser paralelas ou anguladas uma à outra ou podem ter uma articulação de largura variável (250) entre elas. as extremidades exteriores da base e/ou as pernas têm, de preferência, afuniladores formados a partir das camadas terminais de fibras de urdidura num padrão em degrau.

Description

[001] Esta invenção refere-se em geral a pré-formas tecidas e refere-se em particular a pré-forma tecida usada em um material compósito reforçado que pode ser tecido plano e dobrado em sua forma final sem produzir laços indesejáveis na préforma.

Descrição da Técnica Anterior [002] A utilização de materiais compósitos reforçados para produzir componentes estruturais está, agora, bastante difundida, particularmente em aplicações onde são buscadas as suas características desejáveis de serem de peso leve, fortes, tenazes, termicamente resistentes, autossuportantes e adaptáveis para serem conformados e formados. Esses componentes são usados, por exemplo, nas aplicações de aeronáutica, aeroespaciais, de satélite, recreativas (como em barcos e automóveis de corrida) e outras aplicações.

[003] Tipicamente, esses componentes consistem em materiais de reforço incorporados em materiais de matriz. O componente de reforço pode ser feito de materiais tais como vidro, carbono, cerâmica, aramida, polietileno e/ ou outros materiais que exibem propriedades físicas, térmicas, químicas e/ ou outras propriedades desejadas, a principal dentre as quais é grande resistência contra falha por tensão. Através da utilização de tais materiais de reforço, que em última análise se tornam um elemento constituinte do componente concluído, as características desejadas dos materiais de reforço, tal como resistência muito alta, são transmitidas ao componente compósito concluído. Os materiais de reforço constituintes tipicamente podem ser tecidos, tricotados ou de outra forma orientados em

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2/20 configurações e formas desejadas para pré-formas de reforço. Geralmente é dada especial atenção para assegurar ótima utilização das propriedades para as quais foram selecionados os materiais de reforço constituintes. Geralmente essas préformas de reforço são combinadas com material de matriz para formar componentes acabados desejados ou para produzir estoques de trabalho para a produção final dos componentes acabados.

[004] Após ser construída a pré-forma de reforço desejada, pode ser introduzido material de matriz na pré-forma, de modo que tipicamente a pré-forma de reforço se torne encerrada no material de matriz e o material de matriz preencha as áreas intersticiais entre os elementos constituintes da pré-forma de reforço. O material de matriz pode ser qualquer um de uma grande variedade de materiais, tal como epóxi, poliéster, vinil-éster, cerâmica, carbono e/ou outros materiais, que também exibem propriedades físicas, térmicas, químicas e/ou outras propriedades desejadas. Os materiais escolhidos para uso como a matriz podem ou não podem ser os mesmos que aquele da pré-forma de reforço e podem ou não podem ter propriedades físicas, químicas, térmicas ou outras propriedades comparáveis. Tipicamente, no entanto, eles serão não serão os mesmos materiais ou terão propriedades físicas, químicas, térmicas ou outras propriedades comparáveis, uma vez que um objetivo usual procurado ao usar compósitos em primeiro lugar é atingir uma combinação de características no produto acabado que não seja atingível através da utilização de um material constituinte sozinho. Assim combinados, a pré-forma de reforço e o material de matriz 5 podem, então, ser curados e estabilizados na mesma operação por termocura ou outros métodos conhecidos e, em seguida, submetidos a outras operações para produzir o componente desejado. É significativo notar neste ponto que, após serem assim curadas, as massas então solidificadas do material de matriz normalmente são muito fortemente 10 aderidas ao material de reforço (por exemplo, a pré-forma de reforço). Como resultado, a tensão no componente acabado,

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3/20 particularmente através de seu material de matriz agindo como um adesivo entre fibras, pode ser efetivamente transferida e transportada pelo material constituinte da pré-forma de reforço.

[005] Frequentemente, é desejado produzir componentes em configurações que são diferentes dessas formas geométricas simples como (por si só), chapas, folhas, sólidos quadrados ou retangulares etc. Uma maneira de fazer isto é combinar essas formas geométricas básicas nas formas mais complexas desejadas. Tal combinação típica é feita juntan20 do pré-formas de reforço feitas como descrito acima em um ângulo (tipicamente um ângulo reto) com respeito uma a outra. As finalidades usuais para essas disposições angulares de pré-formas de reforço unidas são criar uma forma desejada para formar uma pré-forma de reforço que inclui uma ou mais paredes extremas ou interseções em T, por exemplo, ou reforçar a combinação resultante de pré-formas de reforço e da estrutura compósita que ela produz contra deflexão ou falha quando ela é exposta a forças exteriores, tal como pressão ou tensão. Em qualquer caso, uma consideração relacionada é fazer cada junção entre os componentes constituintes tão forte quanto possível. Dada a resistência muito alta desejada dos constituintes de pré-formas de reforço por si, a fraqueza da junção se torna efetivamente uma ligação fraca em uma cadeia estrutural.

[006] Um exemplo de uma configuração de interseção é estabelecido na Patente US 6.103.337. Esta referência estabelece um meio eficaz de unir duas placas de reforço em forma de T.

[007] Várias outras propostas foram feitas no passado para fazer tais junções. Foi proposto formar e curar um elemento de painel e um elemento de reforço em ângulo separado entre si, com o último tendo uma única superfície de contato de painel ou sendo bifurcado em uma extremidade para formar duas superfícies de contato de painel divergentes co-planares. Os dois componentes, em seguida, são unidos ligando adesivamente a(s) superfície(s) de contato de painel do elemento de

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4/20 reforço a uma superfície de contato do outro componente usando adesivo de termocura ou outro material adesivo. No entanto, quando é aplicada tensão ao painel curado ou à pele da estrutura compósita, cargas em valores inaceitavelmente baixos resultam em forças de descascamento que separam o elemento de reforço do painel na sua interface, uma vez que a resistência efetiva da junta é aquela do material de matriz e não do adesivo.

[008] O uso de parafusos ou rebites de metal na interface desses componentes é inaceitável porque tais adições, pelo menos parcialmente, destroem e enfraquecem a integridade das próprias estruturas compósitas, adicionam peso e introduzem diferenças no coeficiente de expansão térmica entre esses elementos e o material circundante.

[009] Outras abordagens para resolver este problema têm sido baseadas no conceito de introduzir fibras de alta resistência através da área de junta por meio do uso de métodos tais como costurar um dos componentes ao outro e confiar no fio de costura para introduzir essas fibras de reforço no e através do local de junção. Tal abordagem é mostrada na Patente US 4.331.495 e sua contraparte divisional Patente US 4.256.790. Estas Patentes divulgam juntas feitas entre um primeiro e um segundo painel compósito feito de camadas de fibra adesivamente coladas. O primeiro painel é bifurcado em uma extremidade para formar duas superfícies de contato de painel co-planares divergentes da maneira do estado da técnica, que são unidas a um segundo painel por pontos de fio compósito flexível não curado através de ambos os painéis. Os painéis e o fio são co-curados, isto é, curados simultaneamente. Outro método para melhorar a resistência de junção é estabelelO cido na Patente US 5.429.853.

[0010] Embora o estado da técnica tenha procurado melhorar a integridade estrutural do compósito de reforço e tenha alcançado sucesso, particularmente no caso da Patente US 6.103.337, existe um desejo de melhorar a

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5/20 mesma ou tratar do problema através de uma abordagem diferente do uso de adesivos ou de acoplamento mecânico. A este respeito, uma abordagem pode ser criar uma estrutura tridimensional (3D) tecida por máquinas especializadas. No entanto, os gastos envolvidos são consideráveis e raramente é desejável ter uma máquina de tecelagem direcionada à criação de uma estrutura simples. Apesar deste fato, pré-formas 3D que podem ser processadas em componentes de compósito reforçado com fibra são desejáveis porque elas proporcionam resistência elevada relativa aos compósitos convencionais laminados bidimensionais. Estas pré-formas são particularmente úteis em aplicações que requerem que o compósito suporte cargas fora do plano. No entanto, as pré-formas do estado da técnica discutidas acima são limitadas em sua capacidade de suportar altas cargas fora do plano, de serem tecidas em um processo automatizado de tear e de proporcionarem espessura variável de porções da pré-forma. A construção da tecelagem e a automação da tecelagem de pré-forma estavam em sua infância e apenas proporcionavam uma pequena vantagem sobre compósitos convencionais laminados, de fibra enrolada ou trançados, limitando a versatilidade das pré-formas.

[0011] Outra abordagem seria tecer uma estrutura bidimensional (2D) e dobrá-la em formato 3D. No entanto, isto tipicamente resulta em partes que distorcem quando a pré-forma é dobrada. A distorção ocorre porque os comprimentos de fibra como tecida são diferentes daquele que deveria ser quando a pré-forma é dobrada. Isto provoca covinhas e ondulações nas áreas onde os comprimentos de fibra como tecida são curtos demais e dobras nas áreas onde os comprimentos de fibra são longos demais. Um exemplo de arquitetura de tecelagem de uma pré10 forma 3D, que pode levar a ondulações ou laços em áreas onde a pré-forma é dobrada, é divulgado na Patente US 6.874.543. Pré-formas de fibra com formas estruturais específicas tal como, por exemplo, seções transversais em T, I, H ou Pi, podem ser tecidas em tear convencional e várias Patentes existentes descrevem

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6/20 o método de tecer tais estruturas (Patente US 6.446.675 e Patente US 6.712.099, por exemplo). Em todo o estado da técnica, no entanto, as pré-formas foram construídas de modo que a seção transversal fosse uniforme na direção da fibra da teia.

[0012] O documento WO 2003/023104 descreve uma pré-forma para juntas estruturais que tem uma arquitetura de tecelagem tridimensional com fibras de enchimento tecidas para proporcionar intertravamento de camada-a-camada de camadas de fibra de urdidura, bem como intertravamento de fibras dentro de cada camada. Pelo menos duas pernas estendem-se desde uma base, tendo a base e as pernas cada uma com pelo menos duas camadas de fibras de urdidura. As pernas são conectadas em uma intersecção simétrica e distribuída da coluna, com um número ímpar de colunas de fibras de urdidura sendo localizadas, sendo as pernas. As extremidades externas da base e das pernas, de preferência, possuem cones formados a partir de camadas terminais de fibras de urdidura em um padrão escalonado. Fibras traçadas que incluem um cordão colorido e um cordão opaco de raio-x são tecidas na pré-forma em locais selecionados como uma fibra de urdidura. As fibras traçadas permitem a identificação de um local selecionado ou de uma porção selecionada da pré-forma por meio de inspeção visual ou por imagem de raio-x.

[0013] O documento WO 2002/16197 descreve uma pré-forma de flange de estrutura de suporte (11) que se assemelha à letra grega pi e tem uma base (13) com duas pernas (15, 17) estendendo-se a partir daí. O desempenho é composto de um material compósito que é formado a partir de cabos de fibras tecidas ou trançadas. Os cabos são orientados para se estenderem ao longo de cada base e pernas. O trabalho pode ser impregnado com uma resina termofixa adequada, ou pode ser não impregnado de modo que a resina possa ser infundida em uma fase posterior do processo de fabricação global. Duas das pré-formas são unidas a uma rede em forma de onda senoidal (31) do feixe estrutural. A teia é formada a partir de folhas de resina termofixas não curadas que são reforçadas com fibras orientadas. A teia tem dois

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7/20 laminados externos que imprensam uma camada de resina sintática ou espumada entre eles. As pernas de cada uma delas se situam sobre uma borda da teia e são moldadas de ambos os lados para os contornos precisos da teia. Uma tira laminada (33) é posicionada contra a base de cada pré-molde para criar um par de flanges para o membro de suporte estrutural. A estrutura montada é então aquecida e curada. A teia e/ou flanges da estrutura também pode(m) ser configurado(s) com fios alternados, afilados na direção vertical ou horizontal, ou inclinados em ângulos não-ortogonais.

[0014] Estas pré-formas são frequentemente processadas em componentes compósitos usando uma técnica de reforço como, por exemplo, moldagem por transferência de resina e usadas como elementos de reforço e/ ou junção em estruturas de aeronaves. No caso de uma pré-forma Pi, uma trama é tipicamente inserida no espaço entre as pernas verticais, isto é, articulação.

[0015] Uma articulação de largura uniforme é apropriada para muitas aplicações. No entanto, há outros casos em que ela é prejudicial. Por exemplo, uma articulação de largura uniforme requer que a trama seja de uma espessura uniforme, e esta espessura é dimensionada pela área mais altamente carregada da estrutura. Isto significa que o potencial de economia de peso, que poderia ser alcançado afinando a trama em áreas mais levemente carregadas, não pode ser realizado.

Sumário da Invenção [0016] A invenção é um método para tecer uma pré-forma de fibra com múltiplas pernas, de modo que estas pernas não são necessariamente paralelas entre si. Um exemplo, de acordo com uma modalidade da invenção, é uma pré-forma em Pi com uma articulação de largura variável, isto é, a largura entre as pernas verticais varia ao longo do comprimento da pré-forma.

[0017] A articulação de largura variável é obtida seletivamente deixando cair algumas fibras de teia fora das partes da pré-forma que formam as pernas verticais, embora acrescentando simultaneamente fibras de teia em outras áreas.

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Para alargar a articulação, fibras de teia são deixadas cair fora da base da perna vertical e adicionadas na ponta. O oposto é feito para tornar a articulação mais estreita.

[0018] O presente método também pode ser usado para fazer outras formas de seção transversal, tal como forma de T ou reforço em T que tem a lâmina do T correndo em um ângulo relativo ao topo do T ou outras formas, tal como forma em H ou forma em I.

[0019] O presente método pode ser usado para tecer pré-formas com espessura variável ou pernas de altura variável que podem ser paralelas ou em ângulo entre si. A pré-forma pode ser tecida usando qualquer padrão conveniente para a fibra de teia, isto é, camada a camada, através de bloqueio de ângulo de espessura, ortogonal etc. Embora fibra de carbono seja preferida, a invenção é aplicável a praticamente qualquer outro tipo de fibra.

[0020] É um objetivo adicional da invenção proporcionar uma pré-forma 3D que seja de um projeto que é uma alternativa para e/ ou uma melhoria nas préformas existentes e/ou estruturas compósitas reforçadas até então disponíveis.

[0021] É outro objetivo da invenção proporcionar um novo método de produzir uma pré-forma 3D com qualidade melhorada que elimina a formação de laços e reduz o tempo de tecelagem substituindo cinco movimentos reversíveis por três, dessa forma proporcionando uma melhor pré-forma em menor quantidade de tempo.

[0022] É um objetivo adicional da invenção prover essa pré-forma 3D que pode ser dobrada em formatos sem distorção das fibras que compreende a pré-forma.

[0023] Ainda outro objetivo da invenção é proporcionar uma pré-forma 3D que é particularmente útil na formação de compósitos reforçados em forma de Pi.

[0024] Estes e outros objetivos e outras vantagens são alcançados fornecendo uma pré-forma tecida 3D que pode ser tecida plana e, em seguida, dobrada em sua forma final antes de impregnação de resina sem produzir uma

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9/20 distorção indesejável nas fibras. Isto é conseguido ajustando o comprimento das fibras durante a tecelagem, de modo que os comprimentos das fibras sejam equalizados quando a pré-forma é dobrada no formato fornecendo uma transição suave na dobra. Esta técnica, embora particularmente adequada para formar pré-formas tecidas em forma de Pi, pode ser utilizada com diversos formatos. Também, embora seja feita referência a pré-formas tecidas, sua aplicabilidade a não tecidas, tal como ligadas por trançadas ou costuradas, por exemplo, será aparente para aqueles versados na técnica.

[0025] Por conseguinte, uma modalidade da invenção é uma pré-forma para juntas estruturais ou mecânicas tendo uma arquitetura de tecelagem tridimensional com fibras de enchimento tecidas para fornecer intertravamento camada a camada de camadas de fibra de teia assim como intertravamento de fibras dentro de cada camada. A pré-forma tecida transfere carregamento fora do plano através de fibras dirigidas para minimizar tensão interlaminar. A pré-forma tem uma base e, pelo menos, duas pernas estendendo-se desde a base, a base e as pernas cada uma tendo pelo menos duas camadas de fibras de teia.

[0026] As fibras de preenchimento seguem uma sequência de tecelagem que as carrega através de uma porção da base e, em seguida, para as pernas e finalmente através da porção oposta da base. As pernas podem ser conectadas a uma interseção simétrica distribuída em coluna com um número ímpar de colunas de fibras de teia sendo localizadas entre as pernas. A pré-forma pode, no entanto, ter uma estrutura não simétrica, com comprimentos de perna iguais ou desiguais. A pré-forma também pode ter um número par de colunas de fibras de teia entre as pernas e as pernas podem ser perpendiculares ou não perpendiculares ou anguladas com a base. As pernas podem ser paralelas ou anguladas entre si, ou podem ter uma articulação de largura variável entre elas. As extremidades exteriores da base e/ ou das pernas

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10/20 de preferência têm afunilamentos formados de camadas de fibras de teia terminais em um padrão escalonado.

[0027] Outra modalidade da presente invenção é um método para formar uma pré-forma para uso em materiais compósitos reforçados. A pré-forma é formada para ter uma arquitetura de tecelagem tridimensional com fibras de enchimento tecidas para fornecer intertravamento camada a camada de camadas de fibra de teia, bem como intertravamento de fibras dentro de cada camada. A pré-forma tecida transfere carregamento fora do plano através de fibras dirigidas para minimizar a tensão interlaminar. A pré-forma tem uma base e, pelo menos, duas pernas estendendo-se desde a base, a base e as pernas cada uma tendo pelo menos duas camadas de fibras de teia. As fibras de enchimento seguem uma sequência de tecelagem que as carrega através de uma porção da base, em seguida, para as pernas e, finalmente, através da porção oposta da base. As pernas podem ser conectadas em uma interseção distribuída em coluna simétrica ou não simétrica, com um número par ou ímpar de colunas de fibras de teia sendo localizadas entre as pernas. As pernas podem ser perpendiculares ou não perpendiculares ou anguladas com a base. As pernas podem ser paralelas ou anguladas entre si, ou podem ter uma articulação de largura variável entre elas. As extremidades exteriores da base e/ ou das pernas têm de preferência afunilamentos formados de camadas de fibras de teia terminais em padrão escalonado.

[0028] Para uma melhor compreensão da invenção, de suas vantagens operacionais e objetos específicos atingidos por meio de seus usos, é feita referência a matéria descritiva em anexo na qual são ilustradas modalidades preferenciais, mas não limitadoras, da invenção.

[0029] Os termos compreendendo e compreende nesta divulgação podem significar incluindo e inclui ou podem ter o significado comumente dado para o termo compreendendo ou compreende na Lei de Patente dos EUA. Os

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11/20 termos consistindo essencialmente em ou consiste essencialmente em se usados nas reivindicações têm o significado atribuído a eles na lei de Patentes dos Estados Unidos. Outros aspectos da invenção são descritos na ou são óbvios da (e no âmbito da invenção) divulgação seguinte.

Breve Descrição dos Desenhos [0030] Os desenhos em anexo, que são incluídos para fornecer uma compreensão adicional da invenção, são incorporados neste e fazem parte deste relatório. Os desenhos apresentados neste documento ilustram diferentes modalidades da invenção e juntamente com a descrição servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos:

A Figura 1 é uma vista extrema esquemática de uma pré-forma em forma de Pi representando a formação de picos completos e fibra de acordo com uma modalidade da invenção;

As Figuras 2(a) e 2(b) mostram uma pré-forma de acordo com a invenção e uma pré-forma conforme divulgada no estado da técnica, respectivamente;

A Figura 3 é uma vista extrema esquemática de uma pré-forma em forma de Pi representando a arquitetura de fibra na mesma de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 4 é uma vista em seção transversal esquemática de uma pré-forma em forma de Pi com pernas em uma posição vertical de acordo com uma modalidade da invenção;

As Figuras 5(a) a 5(f) são vistas extremas esquemáticas de padrões de tecelagem ou arquiteturas de fibra de pré-formas em forma de Pi com uma articulação de largura variável de acordo com uma modalidade da invenção;

As Figuras 6(a) e 6(b) mostram uma pré-forma de em forma de Pi de largura variável antes (a) e após (b) rebarbação flutuante, de acordo com uma modalidade da invenção; e

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A Figura 7 é uma vista superior da zona de transição em uma pré-forma em forma de Pi com uma articulação de largura variável de acordo com uma modalidade da invenção.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas [0031] As Figuras 1, 2, 3 e 4 ilustram uma modalidade preferencial de uma pré-forma tridimensional 100. A pré-forma 100 é formada tecendo uma ou mais fibras de enchimento 114 em um padrão através de uma pluralidade de fibras de teia 116 que se estendem perpendicularmente ao plano do padrão. Nas Figuras 1 e 3, o padrão completo usado para formar a pré-forma em forma de Pi 100 é ilustrado, onde as fibras de enchimento 114 são mostradas no plano de visualização, ao passo que as fibras de teia 116 são mostradas como perpendiculares ao plano de visualização. As fibras 114, 116 são mostradas como afastadas entre si nas vistas esquemáticas da arquitetura, embora as fibras 114, 116 sejam compactadas juntas quando realmente tecidas em uma pré-forma 1 completa 100.

[0032] Passando, agora, à Figura 1, todas as fibras de teia 116 na préforma 100 são geralmente paralelas entre si com ligeiras ondulações ao longo do comprimento longitudinal de cada fibra 116 e são organizadas em colunas verticais geralmente. A pré-forma 100 de preferência é tecida de materiais utilizados para típicas estruturas compostas, por exemplo, fibra de vidro e fibras de carbono e é tecida para ter uma base 120 e, pelo menos, duas pernas 125,135, estendendo-se da base 120, formando um perfil em forma de Pi. As pernas 125, 135 podem ser perpendiculares ou não perpendiculares ou anguladas para a base 120. A base 120 e as pernas 125, 135 cada qual compreendem pelo menos duas camadas de fibras de teia 116 e são mostradas como tendo bordas cônicas opcionais. Para facilidade de tecelagem, a pré-forma 100 é tecida com as pernas 125, 135 postas contra a base 120, embora as pernas 125, 135 sejam destinadas a uso em uma posição ereta, formando uma articulação 150 tal como, por exemplo, mostrado na Figura 4. A base

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120 é mostrada como tendo oito camadas de fibras de teia 116 e as pernas 125, 135 são mostradas como tendo quatro camadas de fibras de teia 116.

[0033] Opcionalmente, conforme mostrado, as fibras de teia 116 na base 120 têm uma área de seção transversal menor do que as fibras de teia 116 nas pernas 125, 135. Usando fibras de teia 116 menores apenas na base 120 e não nas pernas 125, 135, o aumento do tempo necessário para tecer a arquitetura em um tear de tecelagem é minimizado enquanto ainda fornece uma base mais forte 120 na préforma 100 através de uma maior quantidade de intertravamento de fibras de teia 116.

[0034] Voltando à Figura 1, a pré-forma 100 é ilustrada com o padrão de tecer começando em uma extremidade 105 da base 120 que é mostrada na esquerda da base 120. Em uma porção típica da sequência de tecelagem, a fibra de enchimento 114 alterna sobre e sob as fibras de teia 116 de uma camada durante cada passada pela direita, intertravando as fibras 116 dessa camada. Além disso, em uma porção típica da sequência de tecelagem, a fibra de enchimento 114 alterna sobre e sob as fibras de teia 116 de duas camadas adjacentes durante cada passada pela esquerda, intertravando as camadas entre si. Como mostrado nas Figuras e descrito abaixo, as porções da sequência de tecelagem, incluindo aquelas dentro das pernas 125, 135, nas bordas e superfícies externas da pré-forma 100, podem diferir desta sequência de tecelagem.

[0035] Como mostrado na Figura 1, a sequência de tecelagem geral começa com fibra de enchimento 114 na posição A e se estende em direção ao centro da base 120 e, em seguida, para um lado exterior 112 de uma das pernas 135 na posição BI. Em seguida, a fibra enchimento 114 se estende para a posição C da extremidade mais à direita à direita da perna 135. Da posição C, a fibra de enchimento 114 retorna ao longo da mesma linha em direção ao centro da base, de cujo ponto a fibra de enchimento 114 se estende para baixo para a base 120 e de volta para o lado externo 112 da outra perna 125 para a posição D na extremidade mais à esquerda da

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14/20 perna 125. A fibra de enchimento 114, em seguida, retorna ao longo da mesma linha em direção ao centro da base 120 e se estende de volta para a base 120 na posição B2, passa por colunas centrais de fibras de teia 116 localizadas entre as pernas 125, 135, depois de volta para a base 120 na posição E e atinge posição F na outra extremidade 115 da base 120. Isto forma uma sequência de 5 tecelagem completa de fibra de enchimento 114, que combina basicamente quatro meios picos conforme representado na Figura 1. As camadas terminais de fibras de teia 116 em um padrão escalonado formam bordas cônicas na base 120 e nas pernas 125, 135, tal como o afunilamento 124 na borda lateral esquerda da base 120 e afunilamento 126 na perna 135.

[0036] Para completar uma célula unitária, ou seção vertical, os passes de fibra de enchimento 114 através da pré-forma 100 são repetidos para camadas adjacentes de fibras de teia 116 até que todas as camadas sejam intertravadas. O padrão de enchimento é repetido para formar seções verticais adjacentes, criando comprimentos contínuos da pré-forma. O intertravamento das camadas, no entanto, não é necessário e a base 120 e/ou as pernas 125,135 da pré-forma 100 podem ser bifurcadas em camadas separadas.

[0037] Figura 3 mostra particularmente o padrão de tecelagem usado para formar as pernas 125, 135 e a base 120 na pré-forma em forma de Pi 100. A base 120 é mostrada com oito camadas de fibras de teia 116 e as pernas 125, 135 são mostradas com quatro camadas de fibras de teia 1 16, embora o padrão possa ser modificado para trabalhar com mais ou menos camadas de fibras de teia na base 120 e nas pernas 25 125,135. Em outras palavras, a base 120 pode ter mais camadas do que cada uma das pernas 125,135 ou vice-versa. O padrão de tecelagem fornece intertravamento de fibras de teia 116 dentro de uma camada e intertravamento entre camadas de fibras de teia. As camadas adjacentes são intertravadas correndo uma porção de fibras de enchimento 114 sobre uma fibra de teia 116 em uma primeira

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15/20 camada em uma primeira coluna e abaixo de uma fibra de teia em uma segunda camada adjacente em uma segunda coluna adjacente, a segunda camada sendo abaixo da primeira camada. As pernas 125, 135 são tecidas em uma posição horizontal sobreposta, conforme mostrado, enquanto o padrão é tecido. Durante a instalação, cada perna 125, 135 é movida para uma posição vertical ereta, a largura de cada perna 125, 135 quando na vertical para cima compreendendo quatro camadas.

[0038] A pré-forma 100 é melhorada em relação a pré-formas tecidas anteriores no fornecimento de uma interseção altamente simétrica distril 0 buída de pernas 125, 135 com a base 120. A base 120 tem três colunas centrais de fibras de teia e duas colunas separadoras de fibras de teia, que são as colunas adjacentes a ambos os lados das colunas centrais. O uso de um número ímpar de colunas centrais permite que a tecelagem forme uma imagem aproximadamente de espelho em ambos os lados de um plano central de simetria dividindo a coluna central, melhorando a simetria de distribuição de carga dentro da base 120. Embora mostrada como tendo três colunas centrais, a modalidade preferida de pré-forma 100 pode ter qualquer número de colunas centrais, o número de colunas centrais determinando a largura nominal da articulação 150 formada quando as pernas 125, 135 estão em uma posição vertical. As pernas 125, 135 podem ser perpendiculares ou não perpendiculares ou anguladas com a base 120.

[0039] Para introduzir simetricamente cargas das pernas 125, 135 na base 120, tal como cargas de um membro (não mostrado) colado entre as pernas verticais 125, 135, as porções das fibras de enchimento 114 conectando as pernas 125, 135 são divididas em grupos de números iguais ou substancialmente iguais de porções de fibra. Cada grupo intercepta a base 120 entre um dentre as colunas separadoras e as colunas centrais ou entre uma dentre as colunas separadoras e as colunas laterais restantes, direita ou esquerda, adjacentes à coluna separadora. Por

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16/20 exemplo, como mostrado na Figura 3, o grupo 29 se estende entre as camadas 2 e 4 da perna 125 e base 120, interceptando a base 120 entre as colunas c e d. Da mesma forma, o grupo 31 intercepta a base 120 entre as colunas d e e, o grupo 33 intercepta a base 120 entre colunas g e h, e o grupo 37 intercepta a base 120 entre colunas h e

i. Deve-se notar aqui que, embora as Figuras mostrem geometrias simétricas, o método da presente invenção pode ser usado na produção de configurações assimétricas também.

[0040] Embora mostrado no local preferido aproximadamente no centro da pré-forma 100, as colunas centrais 27 podem compreender colunas de fibras de teia 116 localizados lateralmente do centro da pré-forma 100. Por exemplo, as colunas b, c e d podem compreender as colunas centrais e as colunas a e e podem agir como colunas separadoras. Isto desvia as pernas 125,135 em direção a uma borda exterior da base 120, embora ainda fornecendo simetria na tecelagem da base 120 em torno das colunas b, c e d e fornecendo a distribuição simétrica da carga das pernas 125, 135 para a base 120. Afunilamentos, tal como os afunilamentos 124 e o afunilamento 126, são formados em uma borda externa de uma pré-forma terminando sucessivas camadas de fibras de 20 teia em comprimentos que são mais curtos do que camadas anteriores. Por exemplo, a Figura 3 mostra a camada 5 terminando na coluna s, ao passo que a camada 6 termina na coluna t, a camada 5 sendo uma fibra de teia 116 mais curta que a camada 6. Da mesma forma, a camada 6 é mais curta que a camada 7, e este padrão se repete para cada camada inferior adjacente. Uma pré-forma tendo bordas cônicas ou na base ou nas pernas verticais tem uma melhor resistência a cargas de descascamento do que uma pré-forma na qual as camadas de fibra de teia terminam todas no mesmo comprimento. Além disso, o uso de um tamanho menor de fibra para a fibra cônica de teia oferece uma transição mais suave, mais gradual da pré-forma para um componente ao qual ela está associada. O padrão de tecelagem na Figura 3 é para oito camadas de fibras de teia 116 da base 120.

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17/20 [0041 ] Uma pré-forma completada tecida em forma de Pi 100 é mostrada na Figura 4 com as pernas 125, 135 na posição vertical, formando uma articulação 150 entre as pernas 125, 135. No entanto, as pernas 125, 135 5 podem ser perpendiculares ou não perpendiculares ou anguladas para a base 120. A pré-forma 100 é tecida repetindo a sequência de tecelagem completa para foram seções verticais adjacentes ao longo do comprimento longitudinal da pré-forma 100. O processo de tecelagem produz comprimentos contínuos da pré-forma 100 que, em seguida, são cortados nos comprimentos desejados para instalação. Um exemplo de uma pré-forma formada de acordo com a invenção em comparação com uma préforma de projeto do estado da técnica 10 com laços 30 entre as pernas verticais é mostrado nas Figuras 2(a) e 2(b), respectivamente.

[0042] A invenção de acordo com uma modalidade é um método para te 15 cer uma pré-forma 200 com múltiplas pernas 225, 235 de modo que estas pernas não são necessariamente paralelas uma com a outra. Como mostrado nas Figuras 5(a) a 50), a pré-forma em formato de Pi 200 é formada com uma articulação de largura variável 250, isto é, a largura entre as pernas verticais varia ao longo do comprimento da pré-forma. A articulação de largura variável 250 é alcançada soltando seletivamente algumas fibras de teia 216 fora das partes da pré-forma que formam as pernas verticais 225, 235, enquanto acrescentando simultaneamente fibras de teia 216 em outras áreas. Para alargar a articulação 250, as fibras de teia 216 são soltas na base das pernas verticais 225, 25 235 e adicionadas na ponta. O oposto é feito para tornar a articulação 250 mais estreita.

[0043] Figuras 5(a) a 5(f) mostram esse movimento da articulação 250 em uma série de etapas. Neste caso particular, a largura da articulação 250 varia de 7,62 milímetros (0,30 polegada) a 16,5 milímetros (0,55 polegada), por exemplo. As Figuras 5(a) a 5(f) mostram uma seção transversal da arquitetura de fibra da pré-forma 200 que é perpendicular às fibras de teia 216. As fibras de teia individuais 216 são

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18/20 mostradas como círculos e o caminho da fibra de trama contínua 214 é mostrado como uma linha a cheio. Deve-se notar aqui que a maioria da fibra que forma as pernas verticais 225, 235 é contínua ao longo do comprimento total da pré-forma 200. Só as fibras 240 nas bordas são descontínuas. Estas fibras 240 flutuam acima ou abaixo da porção tecida da pré-forma 200 e são cortadas depois que a pré-forma é retirada do tear. Diferentes vistas de uma pré-forma em formato de Pi de largura variável que utiliza uma arquitetura camada a camada e é formada de acordo com esta modalidade são mostradas antes e após corte de fibras flutuantes 240 nas Figuras 6(a) e 6(b), respectivamente. As fibras rastreadoras de vidro 245 nestas Figuras identificam as fronteiras entre as zonas de seção transversal constante e variável.

[0044] As pernas verticais 225, 235 de acordo com esta modalidade, podem ser movidas para praticamente qualquer local do flange de suporte ou da base 220 e estão ligadas ao flange ou a base 220 por fibras de trama 214. No entanto, a posição deve mudar de forma gradual, onde a largura mínima de uma etapa é a largura de uma coluna de teia. Neste exemplo, foi usado um pente de 20 mossas com 20 fibras de teia por polegada, assim a etapa mínima foi de 1,27 milímetros (0,05 polegada) (1/20 da polegada).

[0045] A pré-forma 200 pode ser tecida usando qualquer padrão conveniente para a fibra de teia, isto é, camada a camada, intertravamento angular através de espessura, ortogonal etc. Na pré-forma 200 mostrada na Figura 7, a articulação 250 começa em uma configuração estreita 230 e uma seção transversal constante é tecida por aproximadamente 12, por exemplo. A largura da articulação 250 aumentará gradualmente para uma configuração larga 255, mantém a configuração larga 255 por aproximadamente 8, por exemplo, e, então, gradualmente reduz de volta para a configuração estreita 230. A seção transversal de largura estreita é tecida, em seguida, por aproximadamente 30 cm (12), por exemplo. Um close up

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19/20 da transição da configuração estreita 230 para a configuração larga 255 é mostrado na Figura 7. Embora uma transição gradual na largura da articulação 250 seja descrita neste documento, a invenção não é limitada a essas configurações. Uma mudança na largura da articulação 250 ou uma mudança na largura em uma tipo ziguezague ou suas combinações está bem dentro do escopo da presente invenção. Por exemplo, a transição na largura da articulação 250 pode ser uma combinação de uma mudança gradual e em etapas, ou em etapas e ziguezague, ou gradual e senoidal, e assim por diante.

[0046] O presente método também pode ser usado para fazer outras formas de seção transversal, tal como pré-formas tendo três ou mais pernas interceptando a base. O presente método também pode ser usado para tecer préformas com pernas de espessura variável ou altura variável que podem ser paralelas ou em ângulo entre si em um ou mais planos.

[0047] Tipicamente, as pré-formas são tecidas usando um tipo de fibra, por exemplo, fibras de carbono (grafite), para ambas as fibras de teia e enchimento. No entanto, as pré-formas também podem ser padrões de tecelagem híbridos que usam fibras feitas de múltiplos materiais, tal como fibras de carbono e vidro. Estes padrões podem resultar em pré-formas tendo rigidez mais alta, custo reduzido e características de expansão térmica otimizadas. Os padrões de tecelagem compreendem todas as fibras de teia de um tipo e todas as fibras de enchimento de outro tipo, ou a tecelagem pode ter fibras de teia elou enchimento de tipos alternados dispostas, por exemplo, em um padrão de tabuleiro de damas em toda as camadas.

[0048] As vantagens da presente invenção incluem a capacidade de tecer uma pré-forma de alta resistência e fácil de usar para montar componentes em estruturas. A tecelagem melhorada intertrava as fibras de teia de cada camada e intertrava as camadas entre si, ao mesmo tempo distribuindo cargas através da préforma de forma altamente simétrica. Por ter um número ímpar de colunas de fibras de

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20/20 teia na base entre as pernas da pré-forma, um padrão de tecelagem pode ser espelhado em torno de um plano de simetria central. No entanto, isso não é necessário para a prática da invenção. A pré-forma também pode ter uma estrutura assimétrica, com comprimentos de perna iguais ou desiguais, ou um número par de colunas de fibras de teia na base entre as pernas da pré-forma. As pernas podem ser paralelas ou em ângulo entre si, ou podem ter uma articulação de largura variável entre elas. As extremidades exteriores de base e/ ou das pernas têm de preferência afunilamentos formados das camadas terminais de fibras de teia em um padrão escalonado.

[0049] Portanto, a invenção fornece uma abordagem alternativa e/ ou um método aprimorado de criação de pré-formas 3D e/ ou estruturas compósitas reforçadas com múltiplas pernas, de modo que as pernas não são necessariamente paralelas entre si, por exemplo, a acima descrita pré-forma em formato de Pi com uma articulação de largura variável, isto é, uma largura variável entre as pernas verticais ao longo do comprimento da pré-forma.

[0050] Assim, pela presente invenção, seus objetivos e vantagens são atingidos e, embora tenham sido aqui divulgadas e descritas em detalhes modalidades preferidas, o seu escopo não deve ser limitado, dessa forma, ao contrário seu escopo deve ser determinado por aquele das Reivindicações em anexo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de formação de articulação de largura variável (250) em uma préforma tecida (100, 200), CARACTERIZADO pelo fato de que o método compreende as etapas de:

(a) proporcionar uma pluralidade de camadas adjacentes, tendo cada camada uma pluralidade de fibras de urdidura (116, 216), sendo as fibras de urdidura paralelas umas às outras e formando colunas verticais;

(b) tecer uma pluralidade de fibras de enchimento (214) com as camadas de fibras de urdidura para formar uma base (120, 220) e duas ou mais pernas (125, 135, 225, 235) que se estendem a partir da base (120, 220), em que as fibras de enchimento (214) intertravam as camadas da base (120, 220), as camadas de cada perna (125, 135, 225,235), e as fibras de urdidura (116,216) dentro de cada camada;

(c) soltar seletivamente uma ou mais fibras de urdidura (116, 216) fora de uma parte da pré-forma que forma as pernas (125, 135, 225, 235) que se estendem, enquanto simultaneamente adiciona fibras de urdidura (226) em outras áreas;

(d) em que a dita articulação (250) é alargada soltando as fibras de urdidura (226) fora da base (120, 220) das pernas (125, 135, 225, 235) que se estendem e adicionando as ditas fibras de urdidura na ponta da perna (125,135, 225, 235); e (e) em que a dita articulação (250) é estreitada adicionando fibras de urdidura (226) à base (120, 220) das pernas que se estendem e soltando as ditas fibras de urdidura para fora na ponta da perna (125,135, 225, 235).
2. Método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as colunas de fibras de urdidura incluem colunas centrais de fibras de urdidura localizadas entre as fibras de enchimento que conectam uma das pernas à base e as fibras de enchimento que conectam a outra das pernas à base, compreendendo as colunas centrais um

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2/5 número ímpar de colunas e permitindo um padrão de tecelagem de imagem substancialmente de espelho em torno de um plano central de simetria da pré-forma.
3. Método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as colunas de fibras de urdidura incluem colunas centrais de fibras de urdidura localizadas entre as fibras de enchimento que conectam uma das pernas à base e as fibras de enchimento que conectam a outra das pernas à base, compreendendo as colunas centrais um número par de colunas e permitindo um padrão de tecelagem substancialmente assimétrico em torno de um plano central da pré-forma.
4. Método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que as colunas de fibras de urdidura incluem colunas separadoras de fibras de urdidura adjacentes aos lados opostos das colunas centrais, cada coluna separadora dividindo partes das fibras de enchimento em dois grupos, um grupo que se estende entre a base e a perna a partir de entre o conjunto central de colunas e a coluna separadora adjacente, o outro grupo que se estende a partir de entre a coluna separadora e as colunas lateralmente externas da coluna separadora.
5. Método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que as colunas de fibras de urdidura incluem colunas separadoras de fibras de urdidura adjacentes aos lados opostos das colunas centrais, cada coluna separadora dividindo partes das fibras de enchimento em dois grupos, um grupo que se estende entre a base e a perna a partir de entre o conjunto central de colunas e a coluna separadora adjacente, o outro grupo que se estende a partir de entre a coluna separadora e as colunas lateralmente externas da coluna separadora.

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6. Método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a base tem mais camadas do que cada uma das pernas ou vice-versa.
7. Método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as extremidades da base e/ou as pernas são formadas afuniladas.
8. Método de formação de articulação de largura variável em pré-forma tecida, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as pernas são perpendiculares ou não perpendiculares ou anguladas em relação às bases.
9. Pré-forma tecida (100, 200) com uma articulação de largura variável (250), formada pelo método conforme definido na reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende:

uma pluralidade de camadas adjacentes, tendo cada camada uma pluralidade de fibras de urdidura (226), sendo as fibras de urdidura (226) paralelas umas às outras e formando colunas verticais;

uma pluralidade de fibras de enchimento (114) tecidas entre as camadas de fibras de urdidura (226) para formar uma base (120, 220) e duas ou mais pernas (125, 135, 225, 235) que estendem a partir da base (120, 220), sendo a base (120, 220) e cada perna (125, 135, 225, 235) formada a partir de pelo menos duas camadas de fibras de urdidura (226), as fibras de enchimento (114) intertravando as camadas da base (120, 220), as camadas de cada perna (125, 135, 225, 235) e as fibras de urdidura (226) dentro de cada camada; e uma articulação (250) formada entre as ditas duas ou mais pernas (125, 135, 225, 235), em que a referida articulação (250) tem uma largura variável ao longo do comprimento da pré-forma (100, 200).
10. Pré-forma tecida com articulação de largura variável, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita articulação de largura

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4/5 variável é formada soltando seletivamente uma ou mais fibras de urdidura a partir de uma primeira parte da pré-forma que forma uma primeira perna, a fim de aumentar a largura de uma articulação formada entre as ditas duas ou mais pernas ou adicionando seletivamente uma ou mais fibras de urdidura na dita primeira parte da pré-forma para diminuir a largura da dita articulação formada entre as ditas duas ou mais pernas ou fazendo ambos.
11. Pré-forma tecida com articulação de largura variável, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que as colunas de fibras de urdidura incluem colunas centrais de fibras de urdidura localizadas entre as fibras de enchimento que conectam uma das pernas à base e as fibras de enchimento que conectam a outra das pernas à base, compreendendo as colunas centrais um número ímpar de colunas e permitindo um padrão de tecelagem substancialmente de imagem no espelho em torno de um plano central de simetria da pré-forma.
12. Pré-forma tecida com articulação de largura variável, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que as colunas de fibras de urdidura incluem colunas centrais de fibras de urdidura localizadas entre as fibras de enchimento que conectam uma das pernas à base e as fibras de enchimento que conectam a outra das pernas à base, compreendendo as colunas centrais um número par de colunas e permitindo um padrão de tecelagem substancialmente assimétrico em torno de um plano central da pré-forma.
13. Pré-forma tecida com articulação de largura variável, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADA pelo fato de que as colunas de fibras de urdidura incluem colunas separadoras de fibras de urdidura adjacentes aos lados opostos das colunas centrais, cada coluna separadora dividindo partes das fibras de enchimento em dois grupos, um grupo que se estende entre a base e a perna a partir de entre o conjunto central de colunas e a coluna separadora adjacente, o outro grupo que se

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5/5 estende a partir de entre a coluna separadora e as colunas lateralmente externas da coluna separadora.
14. Pré-forma tecida com articulação de largura variável, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADA pelo fato de que as colunas de fibras de urdidura incluem colunas separadoras de fibras de urdidura adjacentes aos lados opostos das colunas centrais, cada coluna separadora dividindo partes das fibras de enchimento em dois grupos, um grupo que se estende entre a base e a perna a partir de entre o conjunto central de colunas e a coluna separadora adjacente, o outro grupo que se estende a partir de entre a coluna separadora e as colunas lateralmente externas da coluna separadora.
15. Pré-forma tecida com articulação de largura variável, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que a base tem mais camadas do que cada uma das pernas ou vice-versa.
16. Pré-forma tecida com articulação de largura variável, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que as extremidades da base e/ou as pernas são afuniladas.
17. Pré-forma tecida com articulação de largura variável, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que as pernas são perpendiculares ou não perpendiculares ou anguladas à base.