BRPI1000178A2

BRPI1000178A2 - método de fabricação de ao menos um componente de longarina, componente de longarina, produto que incorpora o componente de longarina, aparelho para fabricar um componente de longarina e mandril não cilìndrico

Info

Publication number: BRPI1000178A2
Application number: BRPI1000178-6A
Authority: BR
Inventors: Tim Wybrow
Original assignee: Ge Aviat Systems Ltd
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2011-03-29
Also published as: CA2689178C; EP2206597A3; EP2206597B1; CA2689178A1; GB2466793A; CN101767646A; GB2466793B; US20100170990A1; EP2206597A2; JP2010159049A; JP5607935B2; GB0900115D0; CN101767646B; US8061253B2

Abstract

MéTODO DE FABRICAçãO DE AO MENOS UM COMPONENTE DE LONGARINA, COMPONENTE DE LONGARINA, PRODUTO QUE INCORPORA O COMPONENTE DE LONGARINA, APARELHO PARA FABRICAR UM COMPONENTE DE LONGARINA E MANDRIL NãO CILíNDRICO De acordo com um aspecto, a presente invenção refere-se a um método 200 de fabricação de ao menos um componente de longarina compósito de espessura não uniforme 152. O método compreende trançar 202 uma pluralidade de fibras 126 em um mandril não cilíndrico 140 para formar uma pré-forma de fibra com conformação de espessura variável 150, aplainar a pré-forma de fibra conformada 150 e cortar a pré-forma de fibra de conformação aplainada 150 para obter ao menos um componente de longarina compósito de espessura não uniforme 152. As longarinas 152 feitas de acordo com inúmeras modalidades da presente invenção são de fabricação mais rápida e económica do que os convencionais componentes da longarina compósitos.

Description

"MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE AO MENOS UM COMPONENTE DELONGARINA, COMPONENTE DE LONGARINA, PRODUTO QUEINCORPORA O COMPONENTE DE LONGARINA, APARELHO PARAFABRICAR UM COMPONENTE DE LONGARINA E MANDRIL NÃOCILÍNDRICO"

Campo

A presente invenção refere-se, de modo geral, às Iongarinascompósitas. Mais particularmente, a presente invenção refere-se às Iongarinascompósitas de espessuras variáveis, por exemplo, para uso em inúmerasaplicações na aviação como Iongarinas de hélice, Iongarinas da asa, etc.

Antecedentes

A Iongarina é um componente integral de muitos produtos. Essaslongarinas, de modo geral, são elementos estruturais de capacidade de cargausadas para adicionar suporte a tais produtos. Por exemplo, longarinas da asasão fornecidas em aeronave para fixar as asas à aeronave e para transmitir asustentação gerada pelas asas à fuselagem da aeronave.

Sabe-se que longarinas são freqüentemente formadas com o usode materiais metálicos fornecidos como uma estrutura sólida ou de arcabouço.Por exemplo, inúmeras longarinas metálicas são conhecidas para uso em pásda hélice [1-5] para fornecer suporte estrutural a aerofólios que são formadosna proximidade.

No entanto, certas vezes as longarinas são fabricadas com o usode materiais compósitos (por exemplo, usando materiais tecidos ou trançadosde inúmeras fibras, tais como vidro e/ou carbono, etc.) pois os aludidosmateriais compósitos [6-8] são, em geral, mais leves e mais rígidos que aslongarinas metálicas convencionais.

No entanto, enquanto as longarinas de base de materialcompósito são mais adequadas para diversas aplicações, elas não são ideais,por exemplo, quando se necessita desenvolver formas complexas comespessuras variadas, como para Iongarinas da hélice / asa, etc.

Portanto, para abordar a necessidade de serem desenvolvidasformas de Iongarina complexas com o uso de materiais compósitos, inúmerastécnicas de fabricação têm sido adotadas.

Por exemplo, durante a fabricação de uma Iongarina para umahélice é notório o uso da técnica ply-drop, na qual porções conformadas domaterial de pano laminar cortado são assentadas manualmente a fim deproduzir uma aproximação de margem escalonada para uma formatridimensional ideal da longarina. A longarina de margem escalonada é entãotrançada sobrepondo materiais de fibra compósita antes de ser infundida comresina para fornecer uma hélice acabada em forma de aerofólio.

Muito embora essa técnica forneça hélices de qualidadesatisfatória, existem certas desvantagens associadas com a dita técnica defabricação. Por exemplo, o material de tecido / pano é caro e sua qualidadedeve ser inspecionada antes de ser usado, adicionalmente, a técnicafundamenta-se fortemente na habilidade e experiência de um operador paraque as camadas sejam montadas corretamente formando o componente dalongarina escalonado com múltiplas camadas. Isso reduz ainda mais oprocesso de fabricação e torna a produção relativamente cara.

Adicionalmente, a resistência do aerofólio acabado depende daadesão mútua das porções individuais conformadas visando garantir que ascamadas individuais que formam a longarina não delaminem quando em uso.

Ademais, as porções de margem escalonada das camadasindividuais, ou ply-drops, podem introduzir vãos entre a longarina de múltiplascamadas e o revestimento trançado sobrejacente onde depósitos de resinatendem a se acumular na hélice acabada. Esses depósitos de resina podem,por sua vez, criar rugosidades na longarina da pá da hélice, junto com odesalinhamento da fibra trançada, causando à subseqüente possível criação depontos de tensão onde fraturas podem ser iniciadas.

Seria desejável, portanto, fornecer um método aprimorado deprodução de Iongarinas compósitas, em particular aquelas dotadas de umaespessura variada.

Sumário

Inúmeros aspectos e modalidades da presente invenção foramentão concebidos tendo em mente as desvantagens associadas às Iongarinasconvencionais e suas técnicas de fabricação atinentes.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, éfornecido um método de fabricação de ao menos um componente de Iongarinacompósito de espessura não uniforme. O método compreende trançar umapluralidade of fibras em um mandril não cilíndrico para formar uma pré-formade fibra com conformação de espessura variável, aplainar a pré-forma de fibraconformada e cortar a pré-forma de fibra de conformação aplainada para obterao menos um componente de Iongarina compósito de espessura não uniforme.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, éfornecido um aparelho para fabricar um componente de Iongarina compósito deespessura não uniforme. O aparelho compreende uma trançadeira, umalançadeira de posição variável e um mandril não cilíndrico. A lançadeira deposição variável é operável para alterar a posição relativa do mandril nãocilíndrico em relação à trançadeira de tal modo que a dobra da Iongarina étrançada em torno do mandril não cilíndrico.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, éfornecido um mandril não cilíndrico para uso no aparelho de acordo com osegundo aspecto da presente invenção.

Inúmeros aspectos e modalidades da presente invençãopermitem a fabricação de um componente da Iongarina de espessura variávelsem a necessidade de se empregar a técnica de ply-drop. A produção é assimagilizada enquanto o custo e o número de defeitos de fabricação sãoreduzidos.

Breve Descrição Dos Desenhos

Inúmeros aspectos e modalidades da presente invenção serãoagora descritos em associação aos desenhos anexos, em que:

A Figura 1 mostra um aparelho para fabricar um componente deIongarina compósito de espessura não uniforme de acordo com umamodalidade da presente invenção;

A Figura 2 mostra a pré-forma de fibra com conformação deespessura variável de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A Figura 3 mostra como uma pré-forma de fibra com conformaçãode espessura variável da Figura 2 pode ser processada de acordo com ummétodo da presente invenção;

A Figura 4 mostra um componente de Iongarina compósito deespessura não uniforme e componentes de refugo do corte produzidos peloprocessamento da Figura 3 de acordo com uma modalidade da presenteinvenção; e

A Figura 5 mostra um método de fabricação de ao menos umcomponente de Iongarina compósito de espessura não uniforme de acordo comuma modalidade da presente invenção.

Descrição Detalhada

A Figura 1 mostra um aparelho 100 para fabricar um componentede Iongarina compósito de espessura não uniforme 152 de acordo com umamodalidade da presente invenção. O aparelho compreende uma trançadeira120, uma lançadeira de posição variável 142 e um mandril não cilíndrico 140.

O mandril não cilíndrico 140 pode ser formado de espuma,alumínio, plástico, etc., e pode ter cerca de 1,3m de comprimento para formaruma pá da hélice. Em inúmeras modalidades, uma pluralidade de mandris (porexemplo, até três) de diâmetro crescente pode ser usada para produzir umalongarina. A variação na espessura do componente da Iongarina 152 pode ser,por exemplo, de cerca de 10 mm a cerca de 15 ou 20 mm, e as dimensões docomponente da longarina 152 acabado podem ser de aproximadamente 1300mm χ 250 mm χ 9 mm, por exemplo.

Em uma modalidade, a trançadeira 120 é uma trançadeiraHerzogTM RF1/192-100 disponível junto a Herzog Maschinenfabrik GmbH &Co. KG, Am Alexanderhaus 160, D-26127, Oldenburg, Alemanha [9].

A trançadeira 120 inclui um tambor giratório 122 no qual umapluralidade of bobinas 124 são montadas. Na Figura 1, apenas oito dessasbobinas 124 são mostradas a título de esclarecimento. Na prática, no entanto,uma quantidade bem maior dessas bobinas (por exemplo, 192) pode serfornecida.

Em operação, o tambor giratório 122 é acionado para girar em tornode um eixo geométrico cilíndrico 144 por meio de um dispositivo de controle /acionador 130, que pode incluir um motor elétrico operado sob o controle deum sistema de controle computadorizado (não mostrado). As bobinas 124 semovem independentemente sobre transportadores em um padrão em forma deS em torno da circunferência do trançado, movendo-se de um transportadorpara o seguinte.

As bobinas 124 são carregadas com inúmeras fibras 126 que sãotrançadas essencialmente para produzir o componente de longarina compósitode espessura não uniforme 152. As fibras 126 podem incluir, por exemplo, fibrasde vidro, e-glass, KevIarTM, boro, S-glass, termoplásticos, fibras de carbono, etc.As fibras 126 podem consistir em uma pluralidade dos respectivos fiosindividuais. Em uma modalidade, as fibras de vidro e as fibras de carbono sãofornecidas em uma razão de 4:1. Fibras de vidro e fibras de carbono adequadasestão comercialmente disponíveis em uma diversidade de fabricantes.Em inúmeras modalidades, as fibras 126 são fornecidas comoestopas de fibra constituídas de milhares de filamentos individuais. Taisfilamentos individuais podem ser um diâmetro da magnitude de cerca de 0,005a cerca de 0,010 mm. Por exemplo, uma estopa de fibra de 3k, 6k, 12k, 24k,etc. pode ser usada. Em uma modalidade, a fibra 126 é do tipo 12k ΗΤΑ, que érelativamente plana e tem uma largura de cerca de 3 a cerca de 5 mm.

As fibras 126 são enrascadas através de uma guia detrançamento 128 e são temporariamente afixadas ao mandril não cilíndrico 140.O mandril não cilíndrico 140 pode ser de forma afunilada, por exemplo, sendoconformado como um cone truncado, tronco, etc. O mandril não cilíndrico 140 éacoplado à lançadeira de posição variável 142, de modo que, quando alançadeira de posição variável 142 é operada, a posição relativa do mandril nãocilíndrico 140 se move lateralmente em relação à trançadeira 120 ao longo dadireção do eixo geométrico 144. O mandril não cilíndrico 140 é feito de ummaterial que é adequadamente leve e rígido, de modo que pode ser sustentadoem cada extremidade sem abaulamento.

Durante a operação, enquanto o tambor giratório 122 gira, o mandril não cilíndrico 140 é movido lateralmente ao longo do eixo geométricocilíndrico 144, e as fibras 126 são trançadas em conjunto ao longo da superfíciedo mandril não cilíndrico 140 para formar a dobra da Iongarina 150. Esteprocesso pode ser repetido pelo trançamento sobreposto de uma ou maiscamadas adicionais da dobra da longarina, por exemplo, enquanto o mandrilnão cilíndrico 140 se move em uma direção oposta.

Movendo um mandril não cilíndrico, por exemplo, a umavelocidade constante ao longo do eixo geométrico cilíndrico 1 44 enquantodeposita fibras 126 também em uma velocidade constante, a dobra dalongarina 150 é conferida com uma espessura variada ao longo de seucomprimento na direção do eixo geométrico cilíndrico 144 em decorrência davariação das dimensões radiais do mandril não cilíndrico. Assim sendo, a dobrada Iongarina de espessura não uniforme 150 pode ser produzida comsimplicidade, e dispensando o uso de ply-drop, ou outra técnica similar. Maisainda, a dita técnica é de fácil automação, sem demandar um operadorespecializado para obter a não uniformidade desejada na espessura da dobrada longarina.

A dobra da longarina pode compreender um tecido triaxial no qualas fibras 126 são dispostas a +45°, 0°, e -45° em relação ao eixo geométricocilíndrico 144 a fim de fornecer uma resistência ótima à torção. Por exemplo,fibras de carbono podem ser dispostas substancialmente em paralelo ao eixogeométrico cilíndrico 144 (i.e. em um ângulo de cerca de O0 ao mesmo) paraformar os elementos estruturais de capacidade de carga em um componentede longarina compósito de espessura não uniforme 152 acabado, e entrelaçadocom fibras de vidro deslocadas (por exemplo, em ângulos de cerca de +45° ecerca de -45° em relação ao eixo geométrico cilíndrico 144) de modo a forneceruma rigidez à torção no componente de longarina compósito de espessura nãouniforme 152 acabado. Em inúmeras modalidades, também é possível variar osângulos de trança relativos das fibras para controlar de modo complementar aespessura da dobra.

Um aparelho 100 para fabricar um componente de longarinacompósito de espessura não uniforme 152 também pode incluir inúmerosoutros elementos, tais como cilindros, um sistema de pressurização a vácuo,uma prensa, etc. (não mostrado) que forma um aplainador para aplainar adobra da longarina. Um dispositivo de provisão de resina e de cura (nãomostrado) também pode ser fornecido para estabilizar a dobra da longarinaaplainada antes do corte, e um cortador (não mostrado) também pode serfornecido para cortar a dobra da longarina. Esses elementos podem serfornecidos a fim de automatizar substancialmente a produção doscomponentes de Iongarina compósitos de espessura não uniforme 152.

A Figura 2 mostra uma pré-forma de fibra com conformação deespessura variável 150 de acordo com uma modalidade da presente invenção.A pré-forma de fibra com conformação de espessura variável 150 pode serfabricada com o uso de um aparelho 100 do tipo mostrado na Figura 1.

A pré-forma de fibra com conformação de espessura variável 150é feita a partir de uma dobra da Iongarina desenvolvida na forma de uma seçãocônica. A pré-forma de fibra com conformação de espessura variável 150diminui de diâmetro a partir de uma primeira extremidade 153 ao longo de umeixo geométrico longitudinal em direção à região mais estreita na segundaextremidade 151. A espessura da dobra da Iongarina aumenta da primeiraextremidade 153 para a segunda extremidade 151. Esse aumento pode ser denatureza linear ou pode ser feito para se adequar a inúmeros outros perfis deespessura pré-determinada (por exemplo, parabólica, assintótica, etc.) deacordo com as demandas de um componente de Iongarina compósito deespessura não uniforme 152 acabado que se deseja.

A dobra da Iongarina pode ser formada pelo trançamento de trêsfibras em um padrão de tecelagem triaxial. Por exemplo, estopas de fibralongitudinais podem ser fornecidas se estendendo, em geral, da primeiraextremidade 153 até a segunda extremidade 151 sendo que as estopas defibra cruzadas trançam com as mesmas (por exemplo, em ângulos de cerca de±45°, ±60°, ±70°, ou suas combinações, etc.). O desempenho à torção doscomponentes da Iongarina acabados podem ser, então, personalizados. Emacréscimo, fornecendo fibras trançadas, em lugar das convencionais camadasseparadas entremeadas, inúmeros componentes de Iongarina compósitos deespessura não uniforme fornecidos de acordo com a presente invenção sãodotados de propriedades aperfeiçoadas de distribuição de carga interna.

A Figura 3 mostra como a pré-forma de fibra com conformação deespessura variável 150 da Figura 2 pode ser processada de acordo com ummétodo da presente invenção. A dobra da Iongarina de uma pré-forma de fibracom conformação de espessura variável 150 é aplainada.

Como opção, pode ser fixada ou estabilizada antes de seraplainada, por exemplo, por meio de costura, aglutinação, etc. Em umamodalidade, a dobra da Iongarina é aplainada e porções do lado lateral 154,156 são aglutinadas impregnando resina e curando a resina para manter a pré-forma de fibra com conformação de espessura variável 150 em uma posiçãosubstancialmente plana.

A porção central, que eventualmente forma doiscomponentes de Iongarina compósitos de espessura não uniforme 152, não éaglutinada, de modo que dois elementos opostos da dobra da Iongarina podemser prontamente separados. Como alternativa, a porção central pode sertemporariamente fechada, por exemplo, costurando juntos os elementosopostos da dobra da longarina.

Em inúmeras modalidades, a fibra 126 pode ser fornecida comum material aglutinante em sua superfície. Tipicamente é um agenteaglutinante termoplástico ou epóxi, o qual submetido a calor e/ou pressão,pode ser usado para consolidar as camadas. A pré-forma 150 pode, então, seraplainada com simplicidade, depois levemente aquecida, resfriada e entãocortada. Como alternativa, materiais aglutinantes na forma laminar podem seraplicados de forma manual. Outra alternativa é o uso de vácuo para manter apré-forma no lugar enquanto é cortada. Isto pode ser feito com uma mesaperfurada e um gerador de vácuo.

Uma vez aplainada, a pré-forma de fibra com conformação deespessura variável 150 é então cortada ao longo de duas linhas de corte 155,157. Por exemplo, é possível usar um cortador do tipo guilhotina ou uma mesacortadora de comando numérico computadorizado (CNC).

A Figura 4 mostra um componente de longarina compósito deespessura não uniforme 152 e os componentes de refugo do corte produzidospelo processamento da Figura 3, de acordo com uma modalidade da presenteinvenção. Os componentes de refugo do corte são formados a partir das duasporções processadas do lado lateral 154, 156, e podem, assim, serimpregnadas com resina curada, por exemplo.

O componente de Iongarina compósito de espessura nãouniforme 152 pode ser feito como um tecido não intercalado, com fibrasdistribuídas continuamente por todo seu corpo. O componente de Iongarinacompósito de espessura não uniforme 152 afunila na espessura, sendo maisespesso em direção à primeira extremidade 153 e mais delgado em direção àsegunda extremidade 151.

Inúmeros componentes de Iongarina compósitos de espessuranão uniforme 152 podem ser usados em hélices, asas, etc. onde é desejávelter uma espessura variada ao longo do comprimento da Iongarina que sejaincumbida do carregamento diferencial quando em uso. Por exemplo, umaporção mais espessa em direção à segunda extremidade 151 pode ser usadapróximo à conexão interna / base com a fuselagem etc., onde é desejável umaconexão com resistência / rigidez mais acentuada.

A Figura 5 mostra um método 200 de fabricação de ao menos umcomponente de Iongarina compósito de espessura não uniforme de acordo comuma modalidade da presente invenção.

O método compreende a etapa de trançamento 202 de umapluralidade of fibras em um mandril não cilíndrico para formar uma pré-formade fibra com conformação de espessura variável.

Após o trançamento, a etapa seguinte é o aplainamento 204 of apré-forma de fibra conformada. Como opção, a pré-forma aplainada é entãoestabilizada na etapa 206.

Por fim, o método 200 compreende cortar 208 a pré-forma defibra de conformação aplainada, opcionalmente esta bilizada, para obter aomenos um componente de Iongarina compósito de espessura não uniforme.

Apesar de inúmeros aspectos e modalidades da presenteinvenção terem sido aqui descritos, os indivíduos versados na técnica estarãocientes de que diversas modalidades distintas de componentes de Iongarinacompósitos de espessura não uniforme com muitas aplicações variadas podemser produzidos de acordo com as técnicas que se no escopo da presenteinvenção. Por exemplo, o mandril não cilíndrico pode ser fornecido como umnúcleo de espuma conformado que pode formar uma parte integral de umcomponente acabado, sendo que quaisquer fibras trançadas em sobreposição,portanto, não precisam ser removidas do mandril e aplainadas a fim de produzirum produto acabado.

Referências

1. CA 401 686 (CaIdweII)2. GB 2 084 507 (Nutter)3. US 4, 789, 304 (Gustafson)4. GB 2 237 532 (Fecto)5. US 5.269,.658 (CarIson)6. US 5..222. 297 (Graff)7. GB 2 443 482 (Pentony)8. WO 2008/087443 (Bateup)9. http://www.herzoq-online.com

Quando permitido, o conteúdo das referências mencionadasacima é incorporado neste pedido por meio de citação em sua totalidade.

Claims

1. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE AO MENOS UMCOMPONENTE DE LONGARINA compósito de espessura não uniforme,sendo que o método compreende:trançar uma pluralidade de fibras em um mandril não cilíndricopara formar uma pré-forma de fibra com conformação de espessura variável;aplainar a pré-forma de fibra conformada; ecortar a pré-forma de fibra de conformação aplainada para obterao menos um componente de Iongarina compósito de espessura não uniforme.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, quecompreende adicionalmente estabilizar a pré-forma de fibra de conformaçãoaplainada antes do corte.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que otrançamento compreende trançar três fibras em um padrão de tecelagemtriaxial.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, quecompreende trançar as fibras em uma disposição de 45°-0°-45°.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação anterior,que compreende trançar continuamente uma pluralidade de camadas umassobre as outras para aumentar a espessura média de uma pré-forma de fibracom conformação de espessura variável.

6. COMPONENTE DE LONGARINA compósito de espessuranão uniforme produzido de acordo com o método de qualquer reivindicaçãoanterior.

7. PRODUTO QUE INCORPORA O COMPONENTE DELONGARINA compósito de espessura não uniforme, de acordo com areivindicação 6, em que o produto é uma hélice ou uma Iongarina da asa.

8. APARELHO PARA FABRICAR UM COMPONENTE DELONGARINA compósito de espessura não uniforme, sendo que o aparelhocompreende:uma trançadeira;uma lançadeira de posição variável; eum mandril não cilíndrico;em que a lançadeira de posição variável é operável para alterar aposição relativa do mandril não cilíndrico em relação à trançadeira, de tal modoque a dobra da Iongarina é trançada em torno do mandril não cilíndrico.

9. APARELHO, de acordo com a reivindicação 8, quecompreende adicionalmente um aplainador para aplainar a dobra da Iongarinaque compreende cilindros, um gerador de vácuo, meios de prensa ou similares.

10. APARELHO, de acordo com a reivindicação 9, quecompreende adicionalmente um dispositivo de provisão de resina e de curapara estabilizar a dobra da Iongarina aplainada.

11. APARELHO, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 8 a 10, que compreende adicionalmente um cortador para cortara dobra da longarina.

12. APARELHO, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 8 a 11, em que a lançadeira de posição variável é operável parase mover em ao menos duas direções distintas.

13. MANDRIL NÃO CILÍNDRICO para uso no aparelho deacordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12.

14. MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE AO MENOS UMCOMPONENTE DE LONGARINA compósito de espessura substancialmentenão uniforme conforme anteriormente descrito com referência aos desenhosanexos.

15. COMPONENTE DE LONGARINA compósito de espessuranão uniforme substancialmente conforme anteriormente descrito comreferência aos desenhos anexos.

16. PRODUTO QUE INCORPORA O COMPONENTE DELONGARINA compósito de espessura substancialmente não uniformeconforme anteriormente descrito com referência aos desenhos anexos.

17. APARELHO PARA FABRICAR UM COMPONENTE DELONGARINA compósito de espessura substancialmente não uniformeconforme anteriormente descrito com referência aos desenhos anexos.

18. MANDRIL NÃO CILÍNDRICO substancialmente conformeanteriormente descrito com referência aos desenhos anexos.