PT2190640T - Método para o fabrico de vigas compósitas - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "Método para o fabrico de vigas compósitas"

Campo técnico

Esta descrição refere-se de modo geral ao fabrico de estruturas compósitas e trata mais particularmente de um método para o fabrico de vigas compósitas, especialmente as que têm uma geometria de secção transversal não simétrica, tal como uma viga em "J".

Antecedentes

As vigas formadas a partir de materiais compósitos tais como fibra de carbono são utilizadas numa variedade de aplicações de veículos para transportar e distribuir cargas. Por exemplo, em aplicações de aeronaves, podem ser utilizadas vigas compósitas com uma secção transversal em forma de J ("viga em J") para suportar um pavimento dentro da fuselagem, tal como um pavimento numa área de carga ou uma cabina de passageiros. Também se encontram utilizações para estas vigas noutras aplicações, tais como por exemplo, sem limitação, fuselagens, asas, estabilizadores e suportes para revestimento de superfícies de controlo, para citar apenas alguns. As vigas compósitas utilizadas nestas aplicações têm de possuir estabilidade dimensional numa vasta gama de condições ambientais, enquanto cumprem outras especificações de desempenho, incluindo a capacidade de carga e rigidez.

Podem ser fabricadas vigas em J compósitas ao montar um canal em C e um canal em Z e em seguida instalar uma cobertura sobre a viga. Podem ser necessárias múltiplos passos e ferramentas complexas para formar as características do canal em C e canal em Z, enquanto podem ser necessárias ferramentas adicionais para montar, moldar e curar a deposição. Estas ferramentas podem exigir tolerâncias apertadas em algumas áreas, tais como certos raios a fim de garantir que características da viga são totalmente formadas e cumprem as especificações.

Consequentemente existe uma necessidade de um método que permita o fabrico rentável de vigas em J utilizando um número mínimo de ferramentas para moldar ou preformar componentes da deposição e subsequentemente moldar a deposição, ao mesmo tempo que satisfaz as especificações de conceção. As concretizações da descrição destinam-se a satisfazer esta necessidade. 0 documento EP 1,231,046 descreve um método para o fabrico de elementos de materiais compósitos utilizando uma técnica de ligação conjunta na qual elementos não curados são ligados a outro elemento curado utilizando uma ferramenta rígida para suportar e posicionamento durante o processo de cura.

Sumário

As concretizações descritas proporcionam um método para o fabrico de vigas compósitas, particularmente vigas em J, nas quais a secção transversal da viga é geralmente em forma de J. Um conjunto de ferramentas combinadas para o fabrico das vigas inclui um número mínimo de componentes simples que são utilizados tanto para preformar as cargas compósitas em formas desejadas tais como canais em C e canais em Z como para moldar e curar a deposição montada. Como resultado da simplicidade das ferramentas, podem ser economicamente fabricadas vigas em J que apresentam boa estabilidade dimensional e características de desempenho.

De acordo com o invento é proporcionado um método para o fabrico de uma viga compósita tal como definido nas reivindicações em anexo. É proporcionado um método para o fabrico de uma viga compósita que tem uma secção transversal em forma de J que compreende uma flange dupla superior, ligada a uma flange inferior única por uma banda central, o método a compreender os passos de: produção de um canal em C através da formação de uma primeira carga compósita sobre uma primeira ferramenta; movimentação de uma segunda carga compósita plana em contacto com o canal em C para formar uma deposição enquanto o referido canal em C é suportado sobre a referida primeira ferramenta; produção da flange inferior única numa extremidade da viga ao formar uma primeira porção da segunda carga compósita plana sobre uma extremidade do canal em C enquanto se suporta o canal em C sobre a primeira ferramenta; produção de uma segunda flange, porção da flange dupla superior, na outra extremidade da viga pela formação de uma segunda porção da segunda carga compósita sobre a segunda ferramenta enquanto a referida viga é suportada entre a referida primeira e referida segunda ferramenta; e cura da deposição enquanto a deposição é mantida entre a primeira e a segunda ferramenta. A deposição pode ser curada nas ferramentas, orientando a banda da viga com um ângulo entre 25 e 45 graus em relação à horizontal de modo a melhorar a compactação num raio na viga.

De acordo com um exemplo, é proporcionado um método para o fabrico de uma viga compósita que tem uma secção transversal em forma de J, que compreende os passos de: formação de um canal em C utilizando uma primeira carga compósita; formação de um canal em Z utilizando uma segunda carga compósita; montagem do canal em C e do canal em Z num conjunto de ferramentas para formar uma deposição de viga em J que tem uma cobertura e uma flange inferior ligadas por uma banda; e colocação da deposição de viga em J num conjunto de ferramentas com o plano da banda inclinado em relação à horizontal com um ângulo compreendido entre aproximadamente 25 e 45 graus.

De acordo com outro exemplo, uma viga em J compósita pode ser fabricada pelos passos que compreendem: a pré-formação de uma primeira carga compósita e uma porção de uma segunda carga compósita, utilizando uma primeira ferramenta; colocação da primeira e da segunda carga preformadas entre a primeira e a segunda ferramenta; preformação de outra porção da segunda carga compósita utilizando a segunda ferramenta; moldagem da primeira e segunda carga compósita preformadas, utilizando a primeira e a segunda ferramenta; e cura das cargas moldadas enquanto as cargas são mantidas entre a primeira e a segunda ferramenta.

De acordo com um outro exemplo, são proporcionadas ferramentas para o fabrico de uma viga em J compósita, que compreende: uma montagem de ferramentas combinadas para preformação e moldagem de uma deposição compósita que tenha uma secção transversal em forma de J. A montagem de ferramentas combinadas inclui uma primeira ferramenta sobre a qual uma primeira porção da deposição pode ser preformada num canal em C, uma segunda ferramenta sobre a qual uma segunda porção da deposição pode ser formada num canal em Z e uma terceira ferramenta para comprimir uma terceira porção da deposição que define uma cobertura sobre a viga em J.

De acordo com um outro exemplo, é proporcionado um aparelho de ferramentas para o fabrico de uma viga em J compósita que tem uma flange inferior, um par de flanges superiores ligadas à flange inferior por uma banda e uma cobertura que cobre as flanges superiores. 0 aparelho de ferramentas compreende: uma primeira ferramenta que tem três superficies adjacentes para preformar e moldar porções do fundo da flange, da banda e uma das flanges; uma segunda ferramenta que tem três superficies de ferramenta adjacentes para moldar porções da flange inferior, da banda e da outra flange superior e uma terceira ferramenta que tem uma superfície de ferramenta para moldar a cobertura. Uma das três superfícies de ferramenta para moldar uma porção da banda pode ser inclinada num ângulo compreendido entre aproximadamente 25 e 45 graus em relação à horizontal.

Outras características, benefícios e vantagens das concretizações descritas tornar-se-ão evidentes a partir da seguinte descrição das concretizações, quando vistas de acordo com os desenhos em anexo e reivindicações anexas.

Breve descrição das ilustrações A FIG. 1 é um fluxograma que ilustra uma concretização do método para o fabrico de uma viga em J compósita. A FIG. 2 é uma vista posterior que ilustra uma viga em J compósita fabricada de acordo com as concretizações descritas. A FIG. 3 é uma vista posterior explodida que ilustra componentes preformados de uma concretização exemplificativa de uma deposição utilizada para o fabrico da viga em J mostrada na FIG. 2. A FIG. 4 é uma vista em corte transversal de uma ferramenta utilizada para o fabrico da viga em J compósita. A FIG. 5 é uma ilustração em corte transversal de uma deposição nas ferramentas montadas utilizadas para moldar por saco de vácuo e curar a deposição. A FIG. 6 é uma vista isométrica da montagem de ferramentas mostrada na FIG. 5.

As FIGS. 7a a 7h são vistas em corte transversais que ilustram um método para o fabrico de uma viga em J compósita. A FIG. 8 é um fluxograma que ilustra os passos de outra concretização do método exemplificativa. A FIG. 9 é fluxograma de metodologia de produção e serviço de uma aeronave. A FIG. 10 é um diagrama de blocos de uma aeronave. Descrição detalhada

Com referência em primeiro lugar às FIGS. 1 a 6, concretizações da descrição referem-se a um método e ferramentas utilizadas para o fabrico de uma viga em J compósita 30 (FIG. 2) que pode ser utilizada por exemplo e sem limitação, para suportar um pavimento de carga (não mostrado) num veiculo tal como uma aeronave (não mostrado). A viga em J 30 pode também ser utilizada noutras aplicações, tais como por exemplo, sem limitação, fuselagens, asas, estabilizadores e suportes de revestimento de superficies de controlo para citar apenas algumas. Tal como se vê melhor na FIG. 2, a viga em J 30 compreende amplamente uma flange dupla superior 32, ligada a uma flange inferior única 34 por uma banda central 36. A flange inferior 34 está ligada à banda 36 por um raio 35. A viga em J 30 pode ter qualquer comprimento, dependendo da aplicação e pode ter uma secção transversal que varia de dimensão ao longo do seu comprimento. Por exemplo, a viga em J 30 pode variar em espessura ou ter um calibre variável ao longo do seu comprimento.

Como é mostrado na FIG. 3, a viga em J 30 pode ser formada a partir de quatro cargas compósitas 30a preformadas que são montadas numa deposição 30b que é moldada por saco de vácuo e curada numa montagem de ferramentas 55 (FIGS. 5 e 6). As cargas compósitas 30a podem compreender, cada uma, um pré-impregnado formado a partir de qualquer de várias combinações de fibras de reforço mantidas numa resina, incluindo por exemplo e sem limitação, um epóxido com fibra de carbono. A deposição 30b compreende um canal em U 38, um canal em Z 40, uma cobertura 42 e um enchimento 44 por vezes também referido como uma "massa". O canal em U 38 inclui uma porção de banda 38a que liga as porções de flange superior e inferior 38b, 38c. De modo semelhante, o canal em Z 40 inclui uma porção de banda 40a que liga as porções de flange superior e inferior 40b, 40c. Quando depositadas e colocadas na montagem de ferramentas 55, as porções de flange 38b, 40b prolongam-se em sentidos opostos e são essencialmente complanares, enquanto as porções de flange 38c, 40c sobrepõem-se de modo a formar a flange inferior 34 da viga em J 40. As porções de banda 38a, 40a são empilhadas lado a lado para formar a banda 36 da viga em J 30. O enchimento 44 pode ser colocado em qualquer fenda (não mostrada) que possa existir entre as porções de flange superior 38b, 40b. A cobertura 42 é colocada sobre as porções de flange superior 38b, 40b e em conjunto, formam a flange superior 32 da viga em J 30. A montagem de ferramentas 55 inclui de um modo amplo, uma primeira ferramenta 56, uma segunda ferramenta 58 e uma terceira ferramenta na forma de uma placa de prensagem plana 60. A primeira ferramenta 56 é geralmente de secção transversal retangular e inclui três superficies de ferramenta planas e adjacentes 56a, 56b e 56c. As superfícies de ferramenta 56a e 56b estão ligadas por um canto arredondado 63, enquanto as superfícies de ferramenta 56b e 56c estão ligadas por um canto arredondado 67. Quando montadas como parte da montagem de ferramentas 55, a primeira ferramenta 56 fica disposta dentro da porção de canal em U 38 da deposição 30b e assim proporciona as superfícies de ferramenta 56a, 56b, 56c contra as quais são comprimidas três superfícies correspondentes da deposição 30b durante o processo de moldagem. A segunda ferramenta 58 inclui superfícies de ferramenta 58a, 58b, 58c que formam um padrão em Z coincidente com a forma do canal em Z 40 (FIG. 3). As superfícies de ferramenta 58a e 58b estão ligadas por um canto arredondando 62, enquanto as superfícies de ferramenta 58b e 58c estão ligadas por um canto arredondado 67. A superfície de ferramenta 58c pode terminar num lábio 64, se desejado, que atua como um suporte para a placa de prensagem 60. A ferramenta 58 pode incluir uma base plana 58d que suporta a montagem de ferramentas 55 sobre qualquer superfície adequada (não mostrada). As superfícies de ferramenta 58a, 58b estão ligadas através de um canto arredondado 62 onde é importante assegurar que é conseguida compactação suficiente da deposição 30b e que é evitada a formação de pontes na deposição 30b durante a cura. A fim de aumentar a compactação da deposição 30b na área do canto arredondado 62 durante a cura, as superfícies de ferramenta 58a, 58b, 58c podem ser orientadas de tal modo que o canto arredondado 62 fique posicionado por baixo da flange inferior 34 e da banda 36, em relação à horizontal. Esta orientação é conseguida inclinando a superfície da ferramenta 58b num ângulo φ relativamente à horizontal que pode estar compreendido entre aproximadamente 25 e 45 graus. Como resultado deste ângulo de inclinação, as forças de compactação são distribuídas durante o processo de moldação por saco de vácuo, de modo que seja impedida a possível formação de pontes no pré-impregnado no canto arredondado 62, o que por sua vez pode evitar a falta de resina no canto arredondado 62. Igualmente, como resultado do ângulo de inclinação, a gravidade pode ajudar a resina a fluir para a área do canto arredondado 62. O ângulo de inclinação também resulta na aplicação de forças de gravidade às cargas que tende a auto-indexar a deposição 30b no conjunto de ferramentas 55 durante o processo de montagem, de modo que a área arredondada 35 da deposição 30b seja empurrada para baixo para o canto arredondado 62 da segunda ferramenta 58. A placa de prensagem 60 é essencialmente de secção transversal retangular e pode incluir uma superfície de ferramenta inferior plana 60a que se apoia e comprime a carga de pré-forma plana 42 a qual se apoia contra as flanges superiores 38b, 40b (FIG. 3) . Os cantos arredondados 65, 67 produzem os raios correspondentes 38d, 40d entre a cobertura 32 e a banda 36 (ver as FIGS. 2 e 3) . A FIG. 1 mostra os passos de um método para formar a viga em J 30 que utiliza o conjunto de ferramentas 55 mostrado na FIG. 5. Com referência particularmente agora às FIGS. 1 e 7a a 7h, no passo 46, o canal em C 38 é moldado ao preformar uma primeira carga compósita de pré-impregnado não curado plana 38 sobre a primeira ferramenta 56. Em seguida, no passo 48, é colocada uma segunda carga compósita de pré-impregnado não curado plana sobre o canal em C 38. Tal como é mostrado no passo 50, a flange de viga inferior 34 da deposição 30b é produzida ao formar a segunda carga plana sobre uma extremidade 38c do canal em C 36. Em 52, uma das flanges de viga superior 40b é produzida ao formar a segunda carga compósita sobre a superfície de ferramenta 58c da segunda ferramenta 58. Finalmente, a deposição 30b é moldada utilizando a montagem de ferramentas 55 e técnicas de saco sob vácuo, após o que a deposição 30b é curada no passo 55. A formação das cargas 30a pode ser realizada utilizando técnicas convencionais de formação a quente, realizadas, por exemplo e sem limitação, sob um saco de vácuo por aplicação de calor às cargas 30a utilizando um forno, lâmpadas de aquecimento ou coberturas térmicas (não mostradas).

Uma outra concretização exemplar do método de fabrico da viga em J 30 é mostrada na FIG. 8 que será agora descrita com referência também às FIGS. 7a a 7h. Começando no passo 74 (FIG. 7a) uma carga compósita de pré-impregnado não curado plana 66 é colocada sobre a superfície de ferramenta plana 56b da primeira ferramenta 56. Em seguida, no passo 76, as extremidades da carga plana 66 são formadas ou dobradas para baixo sobre os lados das superfícies de ferramenta 56a, 56c para formar as porções de flange 38b, 38c. Estes dois primeiros passos 74, 76 proporcionam um processo 78 para formar o canal em C 38. A série seguinte de passos 88 resultará na formação do canal em Z 40. Começando no passo 80, uma segunda carga compósita de pré-impregnado não curado plana 68 que pode compreender um pré-impregnado adequado é colocada sobre a porção de banda 38a do canal em U 38. Uma extremidade 68a da segunda carga compósita 68 sobressai da porção de canal 38b, enquanto o bordo oposto 68b é suportado por uma ferramenta plana 70 que está ligeiramente afastada da primeira ferramenta 56 para formar um intervalo 72 para receber a flange 38c. Em seguida, o passo 82, mostrada na FIG. 7d, o bordo externo 68a da segunda carga 68 é formado ou dobrado para baixo sobre a porção de flange 38b enquanto o canal em C 38 permanece suportado pela primeira ferramenta 56.

No passo 84, o canal em U totalmente formado 38 e o canal em Z parcialmente formado 36 são colocados na montagem de ferramentas 55, tal como mostrado na FIG. 7e, com a porção de banda 36 da deposição 30b mantida no ângulo cp (ver FIG. 4) que, tal como descrito anteriormente, pode estar compreendido entre aproximadamente 25 e 43 graus. No passo 86 (FIG. 7f), o bordo externo 68b é dobrado ou formado para baixo sobre a superfície de ferramenta 56c produzindo assim a flange superior 40b do canal em Z 40.

Em seguida, no passo 90, tal como mostrado na FIG. 7g, o enchimento 44 e a cobertura 42 são instalados, após o que, tal como mostrado no passo 92 (FIG. 7h) a placa de prensagem 60 é colocada sobre a cobertura 42. Em seguida, no passo 94, é aplicada pressão de compactação à montagem de ferramentas utilizando, por exemplo e sem limitação, técnicas convencionais de saco de vácuo. A deposição compactada 30b é então curada, tal como mostrado em 92, na montagem de ferramentas 55 utilizando, por exemplo e sem limitação, uma autoclave (não mostrada).

As concretizações da descrição podem encontrar utilização numa variedade de aplicações potenciais, particularmente na indústria de transporte, incluindo, por exemplo, aplicações aeroespaciais e automobilísticas. Assim, com referência agora às Figuras 9 e 10, concretizações da descrição podem ser utilizadas no contexto de um método de fabrico e manutenção de aeronave 96 tal como mostrado na Figura 9 e uma aeronave 98 tal como mostrado na Figura 10. As aplicações aeronáuticas das concretizações descritas podem incluir, por exemplo, sem limitação, elementos reforçados compósitos tais como revestimentos de fuselagem, revestimentos de asa, superfícies de controlo, escotilhas, painéis de pavimento, painéis de portas, painéis de acesso e empenagens, para citar alguns. Durante a pré-produção, o método exemplar 96 pode incluir especificações e conceção 98 da aeronave 116 e aquisição de material 100. Durante a produção, acontece o fabrico de componentes e submontagem 102 e integração de sistemas 104 da aeronave 98. Posteriormente, a aeronave 98 pode passar pela certificação e entrega 106 a fim de ser colocada em serviço 108. Enquanto está em serviço de um cliente, a aeronave 98 está programada para manutenção de rotina e serviços 110 (que também pode incluir a modificação, reconfiguração, remodelação, etc.).

Cada um dos processos do método 96 pode ser realizado ou levado a cabo por um integrador de sistemas, um terceiro e/ou um operador (por exemplo, um cliente) . Para os fins desta descrição, um integrador de sistemas pode incluir sem limitação qualquer número de fabricantes de aeronaves e subcontratantes de sistemas principais; um terceiro pode incluir sem limitação qualquer número de vendedores, subcontratantes e fornecedores; e um operador pode ser uma companhia aérea, empresa de "leasing", entidade militar, organização de serviços, etc.

Tal como mostrado na Figura 10, a aeronave 98 produzida pelo método exemplar 96 pode incluir uma fuselagem 112 com uma pluralidade de sistemas 114 e um interior 116. Exemplos de sistemas de alto nível 114 incluem um ou mais de um sistema de propulsão 118, um sistema elétrico 122, um sistema hidráulico 120 e um sistema ambiental 124. Qualquer número de outros sistemas pode ser incluído. Apesar de ser mostrado um exemplo aeroespacial, os princípios da descrição podem ser aplicados a outras indústrias, tais como a indústria automóvel. O aparelho e métodos aqui descritos podem ser empregues durante qualquer uma ou mais dos passos do método de produção e serviços 96. Por exemplo, componentes ou submontagens correspondentes ao processo de produção 102 podem ser fabricados ou produzidos de um modo semelhante aos componentes ou submontagens produzidos enquanto a aeronave 116 está em serviço. Igualmente, um ou mais exemplos de aparelhos, exemplos de métodos, ou uma combinação dos mesmos podem ser utilizados durante os passos de produção 102 e 104, por exemplo, acelerando substancialmente a montagem ou reduzindo o custo de uma aeronave 96. Do mesmo modo, um ou mais exemplos de aparelhos, exemplos de métodos, ou uma combinação dos mesmos podem ser utilizados enquanto a aeronave 96 está em serviço, por exemplo, para manutenção e serviços 110.

Claims (7)

1. REIVINDICAÇÕES

   1 - Método de fabrico de uma viga compósita (30) que tem uma secção transversal em forma de J, que compreende uma flange dupla superior (32), ligada a uma única flange inferior (34) por uma banda central (36), compreendendo o método os passos de: (A) produção de um canal em C (38) pela formação de uma primeira carga compósita sobre uma primeira ferramenta; (B) movimentação de uma segunda carga compósita plana em contacto com o canal em C produzido no passo (A) para formar uma deposição enquanto o referido canal em C é suportado sobre a referida primeira ferramenta; (C) produção da flange inferior única (34) numa extremidade da viga ao formar uma primeira porção da segunda carga compósita plana sobre uma extremidade do canal em C enquanto suporta o canal em C sobre a primeira ferramenta; (D) produção de uma segunda flange (40b), porção da flange dupla superior (32), na outra extremidade da viga, pela formação de uma segunda porção da segunda carga compósita sobre uma segunda ferramenta (58) enquanto a referida viga é suportada entre as referidas primeira e segunda ferramenta; e, (E) cura da deposição enquanto a deposição é mantida entre a primeira e a segunda ferramenta.
2. 2 - Método da reivindicação 1, em que o passo (A) inclui a formação de extremidades opostas da primeira carga compósita (38) sobre lados opostos da primeira ferramenta (56) .
3. 3 - Método da reivindicação 1, que compreende ainda o passo de: (F) montagem da deposição e da primeira (56) e da segunda ferramenta (58).
4. 4 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que o passo (E) inclui manutenção da deposição na primeira (56) e na segunda (58) ferramentas de tal modo que uma banda (36) da viga em J fica orientada em relação à horizontal com um ângulo compreendido aproximadamente entre 25 e 45 graus.
5. 5 - Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende ainda o passo de: (F) aquecimento da primeira carga antes do passo (A) ser realizado.
6. 6 - Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende ainda o passo de: (F) aquecer a segunda carga antes dos passos (C) e (D) serem realizados.
7. 7 - Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende ainda o passo de: (F) formação de uma cobertura sobre a segunda flange depois de ter sido realizado o passo (D) , utilizando uma terceira carga compósita.