BRPI0921385B1

BRPI0921385B1 - peça compósita e processo de fabricação da referida peça

Info

Publication number: BRPI0921385B1
Application number: BRPI0921385A
Authority: BR
Inventors: Beraud Jean-Marc; Henrat Patrick
Original assignee: Hexcel Reinforcements
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2019-12-17
Also published as: FR2939451B1; RU2011128341A; WO2010067003A1; AU2009326902A1; CA2743014C; AU2009326902B2; RU2496932C2; US9695533B2; JP5599407B2; EP2356272A1; ES2397936T3; FR2939451A1; EP2356272B1; BRPI0921385A2; US20120100354A1; CA2743014A1; JP2012511450A

Abstract

peça compósita e processo de fabricação da referida peça a invenção refere-se a um produto intermediário, destinado à produção de uma peças compósitas em combinação com uma matriz de resina, formada por pelo menos dois conjuntos unidirecionais de fios de reforço, os fios de cada série se 5 estendendo em uma direção diferente, em que os grupos são interligados por meio de costura ou tricô usando ao menos um fio de costura ou tricô. a invenção é caracterizada pelo fato de que o fio de costura ou tricô tem um título de fios menor ou igual a 30 dtex, de preferência inferior ou igual a 25 dtex, em conformidade com a norma en iso 2060.

Description

“PEÇA COMPÓSITA E PROCESSO DE FABRICAÇÃO DA REFERIDA PEÇA”

A invenção diz respeito ao campo técnico de materiais de reforço adaptados para a criação de peças compósitas. Mais especificamente, a invenção diz respeito a um novo material intermediário para a criação de peças compósitas, notoriamente através da injeção ou infusão subsequente de uma resina termoendurecível, um processo para a fabricação de peças compósitas de tal material, bem como as peças compósitas obtidas.

A fabricação de peças ou mercadorias compósitas, ou seja, aquelas que contêm, por um lado,várias camadas de reforço ou fibrosas, e por outro lado, uma matriz primariamente de termoendurecimento (resina) que poderia incluir termoplásticos, e pode, por exemplo, ser criada por um processo chamado “direto” ou “LCM” (do inglês “Liquid Composite Molding” (Moldagem de Compósito Líquido)). Um processo direto é definido pelo fato de que um ou vários reforços de fibra são preparados em um estado “seco” (ou seja, sem a matriz final), a resina ou a matriz sendo preparada separadamente, por exemplo, por injeção no molde contendo as fibras de reforço (processo “RTM”, do inglês Resin Transfer Molding (Moldagem de Transferência de Resina)), por infusão através da espessura das fibras de reforço (processo “LRI”, do inglês “Liquid Resin Infusion” (Infusão de Resina Líquida) ou processo “RFI”, do inglês “Resin Film Infusion (“Infusão de Filme de Resina”), ou então através do revestimento/impregnação manual com um cilindro ou escova em cada uma das camadas da unidade das fibras de reforço, aplicado sucessivamente sobre o molde.

Para os processos RTM, LRI ou RFI, geralmente é necessário primeiro criar uma pré-forma fibrosa do molde do produto final desejado, em seguida impregnar essa pré-forma com uma resina. A resina é injetada ou infundida por diferencial de pressão na temperatura, em seguida, uma vez que toda a quantidade de resina necessária está contida na pré-forma, o conjunto é levado a uma temperatura mais alta para completar o ciclo de polimerização/reticulação e, assim, provocar o seu endurecimento. A matriz utilizada é termoendurecível. A resina injetada é, por exemplo, selecionada entre os seguintes polímeros termoendurecíveis: epóxi, poliésteres insaturados, ésteres de vinila, fenólicos, poliimidas, bismaleimidas.

As peças compósitas utilizadas na indústria automobilística, de aviação ou naval, são particularmente sujeitas a requisitos muito rigorosos, notoriamente em termos das suas propriedades mecânicas. Por isso, é particularmente importante usar materiais que, por um lado, são muito consistentes, e por outro lado, são fáceis de manusear e de processar.

Materiais chamados multiaxiais ou “NCF” (“Tecidos não ondulados”, em inglês) foram desenvolvidos nesse contexto. Esses materiais consistem de uma pilha de camadas de fios unidirecionais, as camadas unidirecionais sendo produzidas pela orientação dos fios da camada de modo a obter fibras na peça compósita, orientados nas direções em um ângulo de 0°, 30°, 45°, 60°, 90°, 120° ou 135°, por exemplo, com relação ao eixo principal da peça.

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As camadas de fios de carbono assim depositadas ao longo das orientações selecionadas estão ligadas umas às outras por meio de costura ou tricô com fios de costura ou tricô. Tais camadas costuradas produzidas a partir de fios de carbono contendo entre 3.000 e 24.000 filamentos de carbono (3 K e 24 K) são, por exemplo, comercializadas por Sigmatex UK Limited (Cheshire WA7 1TE, Inglaterra) como MC8021270 (quatro camadas quadriaxiais de 268 g/m² costuradas com um fio dTex 80). A finalidade do fio de costura é simplesmente conservar as diferentes camadas juntas, de modo a formar um produto intermediário manipulável.

Tal método de ligação por costura ou tricô limita a expansão dos fios nas camadas na costura ou tricô, cujo efeito é a criação de zonas de separação entre os fios de reforço. Uma consequência deste efeito é um aumento da permeabilidade transversal do material, quando combinado com uma matriz de resina durante a produção de peças compósitas. Isto, portanto, favorece a implementação de tal material intermediário, notoriamente por LRI ou RFI.

No entanto, verificou-se que peças feitas com tais materiais intermediários tiveram microfissuras sob ciclização hidrotérmica suscetível a afetar a durabilidade das estruturas. Pelo mesmo motivo, durante sua vida útil, uma estrutura de aeronaves é sujeita a ciclos térmicos e períodos úmidos (estacionamento em um deserto quente, voo de altitude elevada no frio extremo, absorção de umidade durante os períodos de estático, por exemplo, durante a manutenção, a secagem durante os voos,...). Tal efeito pode tornar a utilização dos multiaxiais da técnica anterior pouco adequada para tais aplicações.

A invenção, portanto, tem como objetivo apresentar um novo produto intermédio, com base em camadas unidirecionais que tornam possível limitar o aparecimento de microfissuras em peças compósitas subsequentemente produzidas, quando estas são submetidas a estresses higrotérmicos.

O produto intermediário, de acordo com a invenção, deve também ser facilmente manipulado e ser fabricado de forma fácil e barata.

Neste contexto, o objetivo da invenção é um produto intermediário para a criação de uma peça compósita por associação com uma matriz de resina termoendurecível, consistindo de pelo menos duas camadas de fios de reforço unidirecionais, os fios de cada uma das duas camadas se estendendo em direções diferentes, em que as camadas são unidas por costura ou tricô usando ao menos um fio de costura ou tricô, caracterizado pelo fato de que o dito fio de costura ou tricô fio tem um título de menos de 30 dTex, preferencialmente menos de ou igual a 25 dTex, determinado de acordo com a norma EN ISO 2060. No contexto da invenção, a norma EN ISO 2060 refere-se a sua versão de junho de 1995 e as medições de título de fios são feitas usando a Variante 1, com base em um fio não lavado, o peso do fio sendo condicionado em equilíbrio com o ambiente de teste padrão.

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Exemplos de um material que constitui o fio de costura, particularmente adequado para a invenção, incluem poliésteres (PET), polipropilenos (PP), polietilenos (PE), sulfetos de polifenileno (PPS), naftalatos de polietileno (PEN), polímeros de cristal líquido (LCP), policetonas, poliamidas, carbono, vidro, basalto, sílica e suas misturas. Tereftalato de polietileno, tereftalato de polibutileno, tereftalato de trimetileno, ácido polilático e copolímeros dos mesmos são exemplos de poliésteres que podem ser implementados. Um exemplo de policetonas pode incluir PEEK e PEKK. Um exemplo de poliamida com baixa absorção de umidade inclui PA 6.10 e PA 6.12. Na verdade, poderia ser interessante para o fio de costura ou tricô consistir de um material com um fator de absorção de umidade inferior a ou igual a 0,4%, conforme determinado por ASTM D629-99 (parágrafo 9). Da mesma forma, a invenção é ainda mais vantajosa quando o fio de tricô ou costura consiste em um material insolúvel na matriz de resina em temperaturas de criação da peça compósita, desde que os fios de material solúvel na matriz de resina sejam menos favoráveis à formação de regiões ricas em resina, onde as microfissuras ocorrem sob estresse hidrotérmico.

Além disso, o fio de costura ou tricô pode, por exemplo, ter uma resistência à fratura entre 20 cN/Tex e 100 cN/Tex conforme medido de acordo com a norma ISO EN 2062 em sua versão 1995. De acordo com algumas modalidades, o fio de costura ou tricô pode ter um alongamento na ruptura entre 10% e 60%, conforme medido de acordo com a norma ISO EN 2062 em sua versão 1995.

Em uma forma preferida da mesma forma, os fios de costura sendo utilizados foram lavados e não contêm lubrificação de superfície ou óleo ou, no máximo, terá uma razão de ponderação de lubrificação menor do que 1,3%. A lubrificação existente é de preferência mineral e, vantajosamente, não contém derivados de silicone ou silicone.

Como exemplo de uma modalidade particular, o fio de costura pode ser um fio de 23 dTex da família do poliéster.

Da mesma forma, um objetivo da invenção é um processo de fabricação de uma peça compósita compreendendo uma etapa de adição, notavelmente através de infusão ou injeção, de uma resina termoendurecível a um material intermediário de acordo com a invenção, em seguida uma etapa de endurecimento da peça desejada por polimerização/reticulação em um ciclo de temperatura e pressão definidos, seguido de resfriamento.

Peças compósitas produzidas, pelo menos em parte, pela associação de um produto intermediário de acordo com a invenção com uma resina de matriz termoendurecível, e suscetíveis de serem obtidas por esse processo, são parte integrante da invenção.

Tais peças compósitas são caracterizadas por pequenas zonas ricas em resina nos fios de costura, o que minimiza as microfissuras sob carregamento hidrotérmico cíclico. Com efeito, foi verificado como parte da invenção que o uso de fios de costura com o menor título possível permitiu reduzir, ao redor dos fios de costura, as zonas que não contêm fibras de

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4/15 reforço, e onde as primeiras microfissuras ocorrem quando a peça é submetida a estresses higrotérmicos. Estas zonas que não contêm fibras de reforço ao redor dos fios de costura são chamadas de “áreas ricas em resina”. Notavelmente, as zonas ricas em resina nas peças obtidas apresentam uma altura média de, no máximo, 0,11 mm, medido em um plano paralelo às camadas unidirecionais do produto intermediário e localizado no meio do produto intermediário.

Várias outras características surgem da seguinte descrição referente aos desenhos anexados.

Figura 1 é uma vista em perspectiva explodida de um produto intermediário de acordo com a invenção, composto de uma camada tripla de 45°/135°/0° multiaxial costurada.

Figura 2 é uma vista esquemática em perspectiva de um produto intermediário de acordo com a invenção, consistindo de uma camada quádrupla multiaxial mostrando um método de ponto corrente.

Figura 3 é uma vista do topo de um produto intermediário, de acordo com a invenção, mostrando um outro método de costura com movimento da barra guia.

Figura 4 mostra o ciclo hidrotérmico para testar laminados de acordo com a invenção.

Figura 5 mostra o perfil de corte do exemplo 1, no núcleo das pelas de teste.

Figura 6 mostra a posição do plano de observação, definida pelo plano de corte, em relação aos pontos de costura e às camadas unidirecionais.

Figura 7 mostra os valores dos fatores d obtidos em diferentes amostras após um determinado número de ciclos higrotérmicos.

Figura 8 é uma imagem de uma microfissura obtida com o laminado do exemplo comparativo 3 (poliéster 35 dTex) após 400 ciclos higrotérmicos.

Figura 9 mostra a evolução da densidade de fissura em função do número de ciclos higrotérmicos no caso do laminado do exemplo 1, e do seu correlativo produzido com tecidos unidirecionais (assim chamados porque apenas uma direção é trançada com fibras de reforço e comercializados como G1157 por Hexcel), a gramatura de tecido sendo equivalente à gramatura de uma camada unidirecional do exemplo 1multiaxial, e suas contrapartes produzidas com camadas multiaxiais não-costuradas.

Figura 10 mostra uma zona rica em resina em um ponto de costura para o laminado do exemplo 1.

Figuras 11 e 12 mostram as dimensões do “eixo menor” correspondentes à altura de uma zona rica em resina em um ponto de costura no caso dos laminados, em função do título e da natureza do fio sendo utilizado.

A invenção é particularmente adequada para materiais intermediários produzidos com camadas unidirecionais de fibras de reforço de um material selecionado dentre carbo

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5/15 no, vidros, basaltos, aramidas, silicas, cerâmicas e suas misturas. As fibras podem ser naturais ou sintéticas. As cerâmicas utilizáveis são notoriamente carboneto de silício e óxidos refratários, como alumina e zircônia. O carbono utilizado no campo da aviação, no entanto, é preferido.

Cada camada de fios consiste por fios estendendo sem paralelo entre si. Um fio é geralmente composto de um conjunto de fibras ou filamentos e, em geral, contém de 1.000 a 80.000 filamentos no caso de fios de carbono, e de forma útil de 12.000 a 24.000 filamentos. Particularmente preferido para uso no contexto da invenção são fios de carbono de 1 a 24 K fios, e preferencialmente de 12 e 24 K. As fibras constituintes podem ser descontínuas, quebradas ou, de preferência, contínuas. Os fios usados geralmente têm uma seção transversal essencialmente circular (qualificada como fios circulares) ou, preferencialmente, são essencialmente de forma de paralelepípedo ou elípticos (qualificados como fios lisos). Estes fios têm uma certa largura e espessura. Um fio de carbono plano de 3.000 a 24.000 filamentos, por exemplo, vai na maioria das vezes ter uma largura de 1 a 12 mm. Entre os fios de carbono estão os fios de Alta Resistência (HR), cujo módulo de tensão está entre 220 e 241 GPa e cuja ruptura de estresse de tensão está entre 3450 e 4830 MPa, os fios do Módulo Intermediário (IM) cujo módulo de tensão está entre 290 e 297 GPa e cuja ruptura de estresse de tensão está entre 3450 e 6200 MPa, e os fios do Alto Módulo (HM) cujo módulo de tensão está entre 345 e 448 GPa e cuja ruptura de estresse de tensão está entre 3450 e 5520 Pa (de “ASM Handbook”, ISBN 0-87170-703-9, ASM International 2001). Nas camadas unidirecionais, filamentos de carbono não são preferencialmente associados a um ligante polimérico e, portanto, classificados como secos, o que significa que eles não são nem impregnados nem lubrificados com qualquer ligante polimérico. As fibras de carbono são, no entanto, mais comumente caracterizadas por uma razão de ponderação de lubrificação padrão que pode representar, no máximo, 2% dos seus pesos, mas tais fibras permanecem classificadas como secas.

As camadas unidirecionais são compostas de um conjunto de fios que se estendem em cada camada ao longo da mesma direção como, por exemplo, ilustrado na Figura 1. Os fios são posicionados de modo a assegurar a cobertura quase total sobre toda a superfície da camada. Em cada uma das camadas que constituem o material intermediário, os fios são posicionados de ponta a ponta, minimizando ou evitando qualquer fenda no material (“gap” em Inglês) ou sobreposição (“overlap”, em Inglês). No resto da descrição, uma camada unidirecional é também chamada de dobra, sem mais explicações, enquanto ela constitui, naturalmente, uma dobra específica em que os fios são paralelos uns aos outros.

Em uma modalidade especial, aplicável a todas as variações descritas acima e abaixo, a densidade de superfície de cada camada unidirecional constituinte do material intermediário está na faixa de 50 g/m² a 600 g/m², de preferência na faixa de 130 g/m²a 270

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6/15 g/m². A densidade de superfície pode, notavelmente, ser determinada de acordo com a norma NF EN 12127 em sua versão de março de 1998.

O produto intermédio pode consistir em dois, três, quatro, cinco ou até mais camadas unidirecionais. As fibras de reforço estendem-se em paralelo entre si dentro de cada camada unidirecional. Porém as orientações são diferentes de uma camada para outra. Em particular, o material intermediário da invenção é composto de camadas unidirecionais que se estendem em orientações diferentes selecionadas dentre os ângulos de 0°, 30°, 45°, 60°, 90°, 120°, 135°. Todas as camadas ou somente algumas delas podem ter diferentes orientações. Por exemplo, o produto intermediário de acordo com a invenção pode ser produzido usando as seguintes pilhas: 0°/90°, 90°/0°, 45°/135°, 135°/45°, 90°/0°/90°, 0°/90°/0°, 135°/45°/135°, 45°/135°/45°, 0°/45°/90°, 90°/45°/0°, 45°/0°/90°, 90°/0°/45°, 0°/135°/90°, 90°/135°/0°, 135°/0°/90°, 90°/0°/135°, 45°/0°/135°, 135°/0°/45°, 45°/135°/0°, 0°/135°/45°, 45°/135°/90°, 90°/135°/45°, 135°/45°/0°, 0°/45°/135°, 135°/45°/90°, 90°/45°/135°, 60/0°/120°, 120/0°/60°, 30°/0°/150°, 150°/0°/30°, 135°/0°/45°/90°, 90°/45°/0°/135°, 45°/135°/0°/90°, 90°/0°/135°/45°, 0°/45°/135°/90°, 90°/135°/45°/90°, 90°/135°/0°/45°, 45°/0°/135°/90°, 0°correspondendo à direção de avanço da máquina que torna possível produzir o material intermediário de acordo com a invenção e, assim, também, à direção geral dos fios de costura. A figura 1 ilustra como um produto intermediário de camada tripla (triaxial) 45°/135°/0°, montado junto através de um fio de costura f. A produção de tais multiaxiais como é conhecida e faz uso de técnicas convencionais, descritas, por exemplo, no livro “Textile Structural Composites, Composite Materials Series Volume 3” por Tsu Wei Chou & Franck. K. Ko, ISBN-0-444-42992-1, Elsevier Science Publishers B.V., 1989, capítulo 5, parágrafo 3.3, ou na patente FR2761380, que descreve um método e um dispositivo para a produção de camadas fibrosas multiaxiais. Em particular, as camadas unidirecionais podem ser criadas antes ou depositadas em linha no momento em que a multiaxial é produzida.

Ligação por meio de costura ou tricô pode ser realizada por qualquer técnica conhecida, particularmente através da utilização de uma máquina de urdidura, por exemplo, com pontos corrente (“chain stitch” em Inglês) ou pespontos (“lock stitch” em Inglês). A Figura 2 é uma vista em perspectiva esquemática de um produto intermediário de acordo com a invenção, consistindo de uma camada quádrupla multiaxial mostrando um método de costura com pontos corrente.

Ligação por meio de costura ou tricô de várias camadas unidirecionais pode ser obtida através de pontos de costura ou tricô que se estendem em linhas paralelas umas às outras. Particularmente, os pontos de costura ou tricô são espaçados dentro da mesma fileira, de preferência de forma identicamente distante por 1 a 20 mm, e de preferência de 2 a 12 mm. Da mesma forma, duas linhas de costura ou tricô consecutivas são, por exemplo, espaçadas umas das outras por 2 a 50 mm, de preferência de 5 a 15 mm. De preferência,

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7/15 todas as linhas de costura consecutivas em uma série de linhas paralelas umas às outras serão espaçadas pela mesma distância. Uma modalidade em que a ligação entre as camadas é conseguida pela costura em ziguezague com movimento da barra guia é mostrada na Figura 3. Vantajosamente, os pontos de costura serão suficientemente soltos para evitar os fenômenos de tensão indesejáveis, um conceito que é bem conhecido para a pessoa versada na técnica. Por exemplo, no caso de pontos correntes, um ponto de tricô solto pode ser caracterizado por um comprimento de ponto de tricô absorvido (LFA) de 3700 mm/m até 4000 mm/m para uma camada quádrupla multiaxial de 268 g/m².

Os produtos intermediários de acordo com a invenção são adaptados e destinados a serem utilizados em combinação com uma matriz de resina para a produção de peças compósitas, em especial no setor automotivo, da aviação, e naval. Os processos implementados são processos diretos. Essas peças podem existir na forma de laminados de complexidade variável.

A criação da peça compósita pode exigir o drapejamento do produto intermediário de acordo com a invenção, dentro de um molde e, possivelmente, o empilhamento deste com outros materiais de reforço. A pilha pode consistir em vários produtos intermediários de acordo com a invenção. Então, uma resina ou matriz termoendurecível é adicionada, por exemplo, por injeção no molde contendo os produtos intermediários (processo “RTM”, Resin Transfer Molding em Inglês), por infusão (em um molde, através da espessura da dobra: processo “LRI”, Liquid Resin Infusionem inglês ou processo “RFI”, Resin Film Infusionem inglês), ou então novamente por revestimento/impregnação manual com um cilindro ou escova, em cada um dos produtos intermediários, aplicado sucessivamente no molde sendo utilizado.

A resina que constitui a matriz é uma resina termoendurecível e pode, por exemplo, ser selecionada dentre epóxi, poliésteres insaturados, ésteres de vinila, poliuretanos, fenólicos, poliimidas, bismaleimidas e suas misturas. Ela pode conter partículas ou aditivos plastificantes de polímeros termoplásticos, ou qualquer outro aditivo convencionalmente utilizado com resinas termoendurecíveis implementadas para a produção de peças compósitas, em especial no campo da aviação.

Finalmente, a peça compósita é obtida através de um ciclo convencional de tratamento térmico dos polímeros sendo considerados, recomendado pelos fabricantes destes polímeros, e conhecido pela pessoa versada na técnica. Este último estágio de tratamento térmico, levando ao termoendurecimento do polímero correspondente, é convencionalmente utilizado nos vários processos da técnica anterior para produção de peças compósitas. Os processos diretos convencionalmente usados para produzir peças compósitas a partir de reforços fibrosos, particularmente as condições de temperatura e pressão, são diretamente transferíveis para a criação de produtos intermediários, de acordo com a invenção.

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Os produtos intermediários de acordo com a invenção são particularmente adequados para a produção de peças compósitas no campo da aviação, particularmente as peças estruturais utilizadas na aviação, tais como estruturas de fuselagem, camada externa das asas, camada externa da fuselagem, camada externa dos estabilizadores verticais, camada externa da cauda horizontal, anteparos, longarina tipo caixa na asa, lâminas do reator. As peças obtidas têm menores zonas ricas em resina e a ocorrência de microfissuras em estresses higrotérmicos é muito limitada. Particularmente, essas peças têm zonas ricas em resina nos fios de costura, cuja altura, medida em um plano paralelo às camadas unidirecionais que constituem a pilha costurada e localizadas no meio da pilha, é no máximo igual a 0,11 mm. A pilha costurada corresponde a um produto intermediário de acordo com a invenção. Por exemplo, no caso de uma pilha de quatro camadas costuradas unidirecionais compondo uma porção da peça, a medição sendo, portanto, realizada em um plano entre as duas dobras centrais (que corresponde à metade da espessura da pilha), e no caso de uma pilha de três camadas costuradas unidirecionais, a medição é realizada em um plano localizado no meio da camada central. Neste plano, a zona rica em resina, que na maioria das vezes pode ser grosseiramente comparada a uma elipse, tem uma dimensão maior, que define um eixo principal. Neste mesmo plano, a altura é a maior dimensão da região rica em resina, medido ao longo de um eixo perpendicular para o seu eixo principal.

Os exemplos a seguir permitem ilustrar a invenção, mas não se limitam na natureza.

O comportamento das microfissuras foi estudado para um laminado composto de quatro camadas multiaxiais quasitrópicas B/S/B/S, com B: [45⁰/0°/135⁰/90°] e S: [90713570745°]. A pilha é então escrita na forma abreviada como [[45^o/0°/135°/90°]s]2

Cada camada unidirecional de um multiaxial consiste de fibras Tenax HTS 5631 com uma densidade de superfície de 268 g/m². Cada multiaxial é costurado com uma inclinação de 5 mm e a distância entre duas linhas de costura também é de 5 mm, o tipo de costura é um “ponto corrente” (“chain stitch” ou“open pillar stitch”em Inglês). O comprimento do fio absorvido (LFA) é de 3800 mm/m.

Quatro fios de costura foram estudados:

Exemplo 1 de um acordo com a invenção: Poliéster dTex 23 (Grilon KE-160 de EMS-Chemie, CH-7013 Domat, Suíça)

Exemplo comparativo 2: Poliéster 49 dTex, tipo 712 da INVISTA (INVISTA Resins & Fibers GmbH & Co. KG, Werk Bad Hersfeld, Berliner StraBe, 36251 Bad Hersfeld, Alemanha).

Exemplo comparativo 3: Poliéster 35 dTex (511W de Trevira GmbH, Guben 03172, Alemanha)

Exemplo comparativo 4: Poliidroxiéter (fenóxi) 150 dTex (de EMS-Chemie, CHPetição 870190100304, de 07/10/2019, pág. 14/30

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7013Domat, Suíça).

Os fios de costura são distribuídos lavados pelo fornecedor ou têm um fator de ponderação de lubrificação muito baixo. Assim, os fios sendo usados têm os seguintes fatores de ponderação de lubrificação:

dTex: fator de ponderação<1,2% dTex: fator de ponderação: 0% (a partir das especificações do produto) dTex: fator de ponderação<0,1% dTex: fator de ponderação: 0% (a partir das especificações do produto)

Os fios de costura sendo usados têm a tenacidade e o alongamento na ruptura apresentados na TABELA 1.

TABELA 1

Nominal values
EN ISO 2060 -Junho de 1995	EN ISO 2062-1995	EN ISO 2062 - 1995
Título	Resistência à fratura	Alongamento de ruptura
dTex	cN/T ex	%
23	25	55
35	40	19
49	71	16
76	42	21

Cada laminado estudado é, portanto, composto de quatro camadas de multiaxiais, cada multiaxial consistindo de quatro camadas unidirecionais unidas por costura com os fios acima definidos.

O laminado é fabricado da seguinte maneira: as quatro sequências B/S/B S são cortadas, cuidadosamente mantendo a orientação a 0° (aquela da máquina e, portanto, dos pontos de costura) idênticas para as quatro dobras. As dobras são então empilhadas para formar uma pré-forma de 340 mm x 340 mm. Esta última é então colocada em um molde de injeção em uma prensa. Uma armação com uma espessura de 4 mm circunda a pré-forma, a fim de obter uma razão de volume e fibra (VFR) de 60%.

A resina epóxi vendida como HexFlow RTM6 por Hexcel é injetada a 80 °C a 200 KPa (2 bar), através da pré-forma, que é mantida a 120 °C, a temperatura dos cilindro da prensa. A pressão aplicada a cada um dos dois cilindros da prensa é de 500 KPa (5 bar). Quando a resina aparece na saída do molde, a tubulação de saída está fechada e o ciclo de polimerização começa (aumentado para 180 °C a 3 °C/min, em seguida mantido por 2 horas a 180 °C, em seguida esfriado a 5 °C/min).

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Os laminados são sujeitos a um ou vários ciclos higrotérmicos, destinados a estimular os ciclos térmicos e os períodos de umidificação aos quais uma peça da aviação pode ser submetida.

Amostras de teste de 50 mm x 60 mm x 4 mm são cortadas, a fim de submeter ao seguinte ciclo hidrotérmico. Cada amostra é então cortada de novo, então polida, para contar as rachaduras que aparecem durante a aplicação do ciclo.

Ciclo hidrotérmico:

O estresse hidrotérmico inclui várias repetições de duas fases: uma fase estacionária de absorção de umidade a 50°C e 95% de umidade, seguido por uma hora de ciclos térmicos. Estes ciclos térmicos consistem em um platô de um quarto de hora a -55°C, seguido por uma mudança de temperatura durante 15 minutos para atingir uma temperatura de 80°C, seguido por um platô para um quarto de hora a 80°C, seguido por uma nova fase de mudança de temperatura durante 15 minutos para voltar a -55°C. A temperatura negativa foi escolhida porque corresponde àquela experimentada por uma aeronave em vôo subsônico. A temperatura positiva é destinada apenas para acelerar a dessorção de umidade. O ciclo hidrotérmico é mostrado na Figura 4.

O estresse, através do seu período de umidificação, provoca um gradiente de concentração de água na amostra. Este perfil de concentração é diferente nas bordas da amostra, pois os coeficientes de difusão são mais elevados na direção das fibras. Uma vez que a orientação das fibras é diferente em cada dobra unidirecional, os coeficientes de difusão também são diferentes, gerando um perfil de concentração de água muito complexo nas bordas da amostra. Este fenômeno foi levado em consideração para o dimensionamento da amostra e definição da zona a ser estudada.

Os ciclos higrotérmicos são produzidos em um “CTS (Sistema de Teste Climático)” modelo de cerco CS-70/280-15, de Climatique et Thermique Service (ZAC du Pujol, 13390 Auriol, França), incluindo o resfriamento com um sistema de expansão de refrigerante líquido em dois estágios. Um modelo de unidade de esfriamento Tipo 30 RA-040-B 0327-PEE da Carrier (CARRIER S. A. S. Route du Thil 01122 Cedex Montluel)circula um grande volume de glicol-água reciclado a 10°C no primeiro estágio do sistema de refrigeração da câmara ambiente para assegurar o seu funcionamento. Tal dispositivo assegura uma taxa de resfriamento de 10°C/min, mesmo em temperaturas abaixo de -50°C, que está perto do limite de operação da câmara, ajustado de 180°C a -70°C.

A umidade no volume de trabalho do recinto é controlada e ajustada através de um gerador de ponto de orvalho. Um secador ZANDER K-MTIpor injeção de ar seco, de Zander (45219 Essen, Alemanha), foi adicionado a este equipamento. Uma vez que a umidade do secador é fixada em 0%, o volume é considerado completamente seco.

Um protocolo para a preparação da amostra foi estabelecido para contar as rachaPetição 870190100304, de 07/10/2019, pág. 16/30

11/15 duras por observação microscópica após o ciclo hidrotérmico. O único método direto para observar microestruturas internas, tais como microfissuras em um material, é cortar e polir o plano de corte. Este método é muito difundido. Ele consiste na utilização de panos e suspensões de diamante para abrasar a superfície até um polimento crescentemente fino a fim de obter o nivelamento necessário para uma boa análise.

A decisão foi feita para usar as amostras de 5 x 6 cm², em que as linhas de costura são paralelas ao lado de 5 cm. Dois planos de observação equivalentes são, portanto, disponíveis. Cortes, como mostrados na Figura 5 são feitos em cada amostra que sofreu um ciclo hidrotérmico. O exemplo central 1 é observado nos planos de observação apresentados na Figura 5, após o polimento. Os planos de corte não estão localizados no ponto de costura, de modo a permitir um ajustamento do plano de observação durante o polimento.

A localização dos planos de corte P, em relação aos fios de costura f e para as camadas unidirecionais N é mostrada na Figura 6. Os planos P são perpendiculares tanto às linhas de costura I quanto ao plano das camadas unidirecionais N. As áreas sombreadas Z representam as zonas ricas em resina nos pontos de costura.

O método de polimento das amostras até um acabamento espelhado apropriado para a observação foi simplificado em relação a um metal, na etapa que usa um papel grosso devido à sua maior ductilidade. Mas um acabamento mais polido, intercalado com a limpeza do banho ultrassônico, é necessário durante o estágio de polimento final com uma suspensão de diamante.

A periodicidade das áreas ricas em resina, devido à periodicidade dos pontos de costura que garantem a ligação das camadas unidirecionais nos multiaxiais que compõem o laminado, exigiu o desenvolvimento de um protocolo para controlar a localização do plano de observação. Na verdade, para estudar o que acontece nas zonas de costura, é necessário focar o estudo na zona de interesse. Para esta finalidade, decidiu-se determinar aproximadamente a localização do plano de corte e para ajustar a posição do plano de observação com relação à zona de interesse graças à abrasão durante o polimento. Este método permite uma precisão de cerca de 20 mícrons para a posição do plano de corte, preciso o suficiente para conduzir o estudo.

Em primeiro lugar, as amostras de teste para o exemplo 1 são cortadas com uma serra circular carboneto de silício. Este corte é obtido por abrasão progressiva com a calibração da velocidade de avanço da lâmina.

Em seguida, o protocolo de polimento abaixo que permite que um acabamento espelhado adequado para observação microscópica seja implementado no plano de corte.

Protocolo de polimento

As amostras são embebidas em resina LamPlan 605 (resina acrílica polimerizada com metacrilato de metila) e polidas com uma máquina de polimento independente de presPetição 870190100304, de 07/10/2019, pág. 17/30

12/15 são automática (Mécapol P320 de Presi). Para isso, as amostras de corte são colocadas na parte inferior de um molde cilíndrico. A superfície a ser polida é orientada em direção ao fundo do molde. O molde é então preenchido com uma resina de suporte fria com dois componentes (LamPlan 605) que polimeriza espontaneamente em cerca de 15 min. As amostras são então removidas dos moldes e polidas utilizando o protocolo descrito.

As várias etapas de polimento são apresentadas na Tabela 2.

TABELA 2

Número da etapa	Granulação do papel	Pressão por amostra	Tempo mínimo
1	P240	250 g/cm²	40 s
2	P600	250 g/cm²	Opcional
3	P1000	250 g/cm²	50 s
3 min em banho ultrassônico
Número da etapa	Suspensão de diamante	Pressão por amostra	Tempo
4	3 pm	100 g/cm²	7 min
3 min em banho ultrassônico
5	1 pm	100 g/cm²	5 min

Nas etapas 1, 2 e 3, a máquina de polimento automático tem uma velocidade de 150 rotações por minuto, em contra rotação para a placa e a uma velocidade máxima para a cabeça (100 rpm). As impurezas são removidas com água corrente.

Nas etapas 4 e 5, a máquina de polimento automático tem uma velocidade de 300 rotações por minuto em contra rotação para a placa e uma velocidade máxima para a cabeça (100 rpm). As impurezas são então removidas com um lubrificante introduzido gota a gota.

As rachaduras são então contadas através da análise de imagens de micrografia obtidas com uma câmera digital de 5 megapixels (modelo Olympus U-TVO.5XC-2-4F04335) acoplada a um microscópio (Olympus modelo GX 51 F - T2 SN 4 G 0 9299) com uma objetiva de 5x (ampliação de 50x). O software de análise de imagem é Analysis Pro Five, comercializado pela Olympus France SAS, Parc d'affaire Silic, 74 Rue d'Arcueil BP 90165, 94533 Rungis Cedex, França.

Para a observação de fissuras Ni na folha unidirecional i em uma amostra de comprimento L com um drapeado que deixa visíveis as rachaduras nas camadas unidirecionais p, um critério d é definido pela equação:

L x p

O fator pé o número total de camadas unidirecionais do laminado menos o número

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13/15 de camadas unidirecionais cujas fibras de carbono são paralelas ao plano de observação, dado que as rachaduras permanecem invisíveis nestas camadas unidirecionais.

Fator d é a densidade linear das rachaduras, expressa em cm^-1, que dependendo da escolha de L, pode ser considerada como uma característica intrínseca do material sob a tensão sendo considerada.

Nos multiaxiais, a observação mostra que as rachaduras se propagam de uma forma completamente original: as zonas de resinas homogêneas dentro da amostra heterogênea permitem que as fissuras deixem a orientação imposta nelas pelas fibras e que se reorientem de uma dobra para a outra.

O gráfico na Figura 7 mostra os valores dos fatores d (chamados de densidade de fissura) obtidos em diferentes amostras (dado que o método de medição é destrutivo), após um determinado número de ciclos higrotérmicos. É claramente demonstrado que os laminados de acordo com a invenção, que usam um fio de poliéster 23 dTex, têm uma densidade de fissura muito menor.

Figura 8 é uma imagem de microfissuras obtida com o laminado do exemplo comparativo 3 (poliéster 35 dTex), após 400 ciclos higrotérmicos.

Também foi mostrado que a densidade de fissura é mais baixa em laminados com zonas ricas menores, pois o tamanho das zonas ricas em resina é primariamente dependente do título dos fios utilizados para costurar as diferentes camadas.

Todos os laminados preparados com camadas costuradas com 150, 76, 49 e 35 dTex, apresentaram uma susceptibilidade à fissura, tão logo quanto em 400 ciclos térmicos (800 no caso de fios fenóxi 150 dTex).

Somente o laminado preparado com camadas costuradas juntas com fios de poliéster 23 dTex não se fendem antes de 1600 ciclos térmicos.

Figura 9 mostra a evolução da densidade da fissura em função do número de ciclos higrotérmicos no caso do laminado do exemplo 1, e do seu correlativo produzido com tecidos cuja gramatura é equivalente a uma camada do multiaxial, e do seu correlativo produzido com camadas multiaxiais não-costuradas.

Parece que a ocorrência de fissuras no laminado de acordo com a invenção coincide com a ocorrência de rachaduras em materiais não costurados. Parece, portanto, que os dois modos de fissura coexistem, um específico para os pontos e costura, e o outro específico para materiais compósitos como um todo. Além disso, no caso do laminado de acordo com a invenção, as rachaduras estão localizadas principalmente nas zonas de costura até 1600 ciclos térmicos, enquanto em 2000 ciclos térmicos, as rachaduras já não estão mais localizadas apenas em zonas de costura, mas também estão presentes fora das zonas ricas em resina.

Tal resultado ressalta a contribuição da invenção: os fios de costura 23 dTex fios de

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14/15 fato tornam possível minimizar a ocorrência de fissuras, uma vez que fissuras que ocorrem depois de 1600 ciclos não são devido à costura, mas à natureza real dos materiais compósitos.

As dimensões características de zonas ricas em resina são medidas diretamente por micrografia ótica. O protocolo de imersão e polimento usados para obter uma superfície adequada para observação é a mesma que a utilizada para a caracterização da microfissura. O controle do volume de amostra desgastado durante o polimento, usado no caso anterior para localizar o estudo de pontos de costura, é aqui utilizado para medir as dimensões características de dobras na mesma posição referenciada na camada multiaxial, isto é, na mesma distância das alças de ponto de costura.

A preparação da amostra, no entanto, difere pelo tamanho da amostra e a sua orientação no pino de imersão. As amostras são cortadas diretamente da placa, sem modificação da espessura. O tamanho da amostra é, portanto, de 2 x 2 cm²para a superfície que está sendo estudada.

As amostras cortadas são colocadas na parte inferior de um molde cilíndrico de 32 mm de diâmetro. A superfície a ser polida é orientada em direção ao fundo do molde. A amostra é colocada, portanto, plana e não na borda como é para a caracterização de microfissuras internas.

As dimensões das zonas ricas em resina nos pontos de costura foram medidas nas imagens micrográficas obtidas com uma câmera digital de 5 megapixels (modelo Olympus U-TVO.5XC-2-4F04335) acoplada a um microscópio (Olympus modelo GX51 F-T2 SN 4 G 0 9299) com uma objetiva de 5x (aumento de 50x) de acordo com três critérios definidos na TABELA 3abaixo. O software de análise de imagem é “Analysis Pro Five”, comercializado pela Olympus France SAS, Parc d'affaire Silic, 74 Rue d'Arcueil BP 90165, 94533 Rungis Cedex, França. As medições são efetuadas diretamente na imagem alimentando no software de processamento a ampliação utilizada para capturar a imagem. Dado o plano de polimento, as imagens são obtidas a partir de um plano paralelo às camadas unidirecionais do produto intermediário e localizadas no meio do produto intermediário. Essas medidas são tomadas ao longo de dois eixos principais: o eixo principal e o eixo menor da zona lenticular. A Figura 10 mostra uma zona rica em resina em um ponto de costura para o laminado do exemplo 1 produzido com um fio 23 dTex 23, e destaca o eixo principal e da altura h sobre o eixo menor da zona. O eixo principal é definido por uma linha reta através das duas extremidades da zona lenticular e o eixo menor é perpendicular ao eixo anterior. O eixo menor (também chamado de altura h) está localizado no ponto de seu valor máximo.

Quatro medidas foram feitas por amostra, para cada tipo de costura. A TABELA 3 apresenta as médias dos valores obtidos com os seus respectivos desvios padrão. Parece que a principal diferença entre os fios, em termos de medidas de inclusão, é a “altura” da

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15/15 área rica em resina. Por “altura”, queremos dizer o eixo menor do que podería ser semelhante a uma elipse, como definido anteriormente, e que delimita a zona rica em resina formada pela passagem dos fios de costura através da pilha costurada, sendo considerada, em um plano paralelo às camadas unidirecionais que constituem a pilha e localizados no meio des5 ta pilha.

TABELA 3

	Distância (mm)
Fio	Eixo principal^—3^	Eixo menor	Tamanho do fio ao longo do eixo principal
Fenóxi 150 dTex	/	/	/
Poliéster 76 dTex	2,20 +/- 0,20	0,18+/-0,02	0,20 +/-0,10
Poliéster 49 dTex	3,50 +/- 0,70	0,20 +/-0,10	0,30 +/- 0,03
Poliéster 35 dTex	3,1 +/- 0,50	0,12 +/- 0,06	0,26 +/- 0,06
Poliéster 23 dTex	2,44 +/- 0,40	0,10+/-0,01	0,18+/-0,01

Para o laminado de acordo com a invenção, a “altura” da zona rica em resina é de 0,10 mm.

Os diferentes resultados obtidos são mostrados nas Figuras 11 e 12, e mostram 10 claramente que o fio 23 dTex cria as menores alturas das zonas ricas em resina.

Nestes números, parece também que até 50 dTex, a dispersão das alturas em zonas rica em resina torna-se maior conforme o título de fios aumenta.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Peça compósita, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: pelo menos duas camadas de fibras de reforço unidirecionais, as fibras de cada das duas camadas se estendendo em uma direção diferente, em que as camadas são unidas juntas por costura ou tricô usando pelo menos um fio de costura ou tricô, em que o dito fio de costura ou tricô tem um título inferior ou igual a 30 dTex conforme determinado de acordo com a norma EN ISO 2060 e uma matriz de resina termoendurecível, em que uma zona rica em resina lenticular está localizada no dito fio de costura ou tricô, a dita zona rica em resina lenticular apresentando um eixo maior que se estende através das duas extremidades da zona rica em resina lenticular e um eixo menor ou altura que se estende de modo perpendicular ao dito eixo maior, a dita altura sendo igual a ou inferior a 0,11 mm.
2. Peça compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o material do fio de costura ou tricô é selecionado dentre poliésteres, polipropilenos, polietilenos, sulfetos de polifenileno, naftalatos de polietileno, polímeros de cristal líquido, policetonas, poliamidas, carbono, vidro, basalto, sílica e misturas dos mesmos.
3. Peça compósita, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que o fio de costura ou tricô é um material com um fator de absorção de umidade inferior ou igual a 0,4%, como determinado pela norma ASTM D629-99 (parágrafo 9).
4. Peça compósita, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que o fio de costura ou tricô tem uma resistência à fratura entre 20 cN/Tex e 100 cN/Tex, conforme medido de acordo com a norma EN ISO 2062 em sua versão de 1995.
5. Peça compósita, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que o fio de costura ou tricô tem um alongamento de ruptura entre 10% e 60%, conforme medido de acordo com a norma EN ISO 2062 em sua versão de 1995.
6. Peça compósita, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que o fio de costura ou tricô é um fio de poliéster 23 dTex da família do poliéster.
7. Peça compósita, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADA pelo fato de que as fibras de reforço das camadas unidirecionais são feitas de um material selecionado a partir dos seguintes materiais: carbono, vidro, basalto, aramida, sílica, cerâmica e misturas dos mesmos.
8. Peça compósita, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADA pelo fato de que a densidade de superfície de cada das camadas unidirecionais está na faixa de 50 g/m² a 600 g/m², conforme determinado de acordo com a versão de Março de 1998 da norma NF EN 12127.

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9. Peça compósita, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADA pelo fato de que a ligação de costura ou tricô é formada por costura ou tricô do dito fio que se estendem ao longo de linhas paralelas.
10. Peça compósita, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que as ditas camadas são unidas juntamente com o dito fio de modo que pontos de costura ou tricô são formados espaçados linearmente por 1 a 20 mm e em que as ditas linhas paralelas estão separadas por 2 a 50 mm.
11. Peça compósita, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADA pelo fato de que é composta de camadas unidirecionais que se estendem em orientações diferentes selecionadas dentre os ângulos 0°, 30°, 45°, 60°, 90°, 120°, 135°.
12. Peça compósita, de acordo com reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita peça compósita é uma peça de aeronave selecionada dentre o grupo consistindo em estruturas de fuselagem, camada externa das asas, camada externa da fuselagem, camada externa dos estabilizadores verticais, camada externa da cauda horizontal, anteparos, longarina tipo caixa na asa, lâminas do reator.
13. Processo para fabricação de uma peça compósita como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de costurar junto pelo menos duas camadas de fibras de reforço unidirecionais usando pelo menos um fio de costura ou tricô, em que o dito fio de costura ou tricô tem um título inferior ou igual a 30 dTex conforme determinado de acordo com a norma EN ISO 2060, adicionar, particularmente por infusão ou injeção, uma resina termoendurecível às ditas fibras de reforço unidirecionais, em seguida, uma etapa de endurecimento da peça desejada por um estágio de polimerização/reticulação em um ciclo de temperatura e pressão definidos, seguido de resfriamento, para formar uma zona rica em resina lenticular da dita matriz de resina localizada no dito fio de costura ou tricô, a dita zona rica em resina lenticular apresentando um eixo maior que se estende através das duas extremidades da zona rica em resina lenticular e um eixo menor ou altura que se estende de modo perpendicular ao dito eixo maior, a dita altura sendo igual a ou inferior a 0,11 mm.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que a matriz da resina é selecionada dentre epóxi, poliésteres insaturados, ésteres de vinila, poliuretanos, fenólicos, poliamidas, bismaleimidas e suas misturas.