PT98082A

PT98082A - Aparelho e processo para enrolar fios de resina termoplastica reforcada com fibras e produtos obtidos com os mesmos

Info

Publication number: PT98082A
Application number: PT98082A
Authority: PT
Inventors: Mark Brian Gruber; Jeffrey Alan Hanks; Mark Allan Lamontia; Bruce Allen Yost
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1993-08-31
Also published as: ATE138011T1; DE69119480D1; EP0463611A2; KR920000449A; CA2045245A1; JP3027625B2; JPH06219642A; RU2053124C1; EP0463611A3; DE69119480T2; IE912152A1; EP0463611B1; IL98381A0

Description

"APARELHO E PROCESSO PARA ENROLAR FIOS DE RESINA TERMOPLÁSTICA REFORÇADA COM FIBRAS E PRODUTOS OBTIDOS COM OS MESMOS"

Fundamento da invenção A presente invenção refere-se ao enrolamento de filamentos em produtos com matriz de resina reforçados com fibras e, mais particularmente, refere-se ao enrolamento de fios não torcidos de resina termoplástica reforçada com fibras para formar um produto de grande diâmetro consolidado "in situ". É conhecido um equipamento para enrolar fios não torcidos de resina reforçada com fibras de comprimentos múltiplos, num mandril. Porém, a fabricação de peças de grande diâmetro desta maneira não é suficiente para proporcionar uma consolidação completa, porque, à medida que o diâmetro'da peça aumenta, o efeito de tensão para criar uma força normal diminui durante o enrolamento.

Sumário da invenção

Segundo a presente invenção, uma estrutura compósita de grande diâmetro consolidada "in situ" (isto é, a capacidade de consolidar a estrutura durante o enrolamento da estrutura sem a necessidade de um processamento de consolidação depois do enro- lamento) é construída a partir de uma pluralidade de segmentos de fios impregnados de resina termoplástica enrolados simultaneamente num mandril, ho qual as extremidades múltiplas desses fios são fornecidas sob uma tensão controlada, na gama de 5% a 50 % da resistência final à tracção do fio, a partir de uma fonte de alimentação para um carro com deslocamento lateral de um enrola-dor de filamentos, sob a forma de uma fita plana uniforme. Esta fita desloca-se então através de uma parte de "cabeça" do enro-lador de filamentos, que contém uma secção de preaquecimento, uma guia aquecida e uma fonte de aquecimento pontual de contacto, sendo deposta num trajecto predeterminado helicoidal ou geodésico num mandril rotativo para formar um produto multicamada. A cabeça do enrolador de filamentos está montada na extremidade do braço de alimentação do carro que pode mover-se para dentro e para fora, compensando· as variações da secção transversal do mandril rotativo. Montam-se aquecedores de tiras de infravermelhos (IR) na cabeça, para preaquecer o fio impregnado com várias extremidades, sendo dimensionados em comprimento e em intensidade para levar a resina termoplástica a uma temperatura dentro da gama de + 10°C em torno do seu ponto de fusão ou temperatura de processamento. O fio impregnado preaquecido passa então através de uma guia aquecida que é mantida a uma temperatura acima da temperatura de fusão, mas inferior à temperatura de degradação da resina termoplástica, e situada ó mais próxima possível da superfície da peça que está a ser enrolada.

Montada na parte mais dianteira da cabeça, há uma fonte c de aquecimento de contacto pontual que mantêm a temperatura da superfície da peça suficientemente elevada, por meio de aquecimento induzido do mandril e de aquecimento directo da superfície enrolada, para garantir superfícies fundidas adaptadas no ponto de assentamento dos segmentos de fio impregnado que chegam. Podem usar-se fòntes de aquecimento de contacto pontual de ar quente, de chama aberta e de infravermelhos. A escolha do tipo de fonte a usar depende do fio, da resina termoplástica, da configuração do mandril e da velocidade de funcionamento.

No sítio em que se depõe o fio não torcido no mandril e se consolida mediante a utilização de uma força aplicada mecanicamente, verificou-se serem satisfatórios dois meios para aplicação da força. Um deles é a combinação de uma sapata aquecida e um cilindro arrefecido situado a jusante da sapata. 0 outro é uma superfície arrefecida.

Depois de completado o processo, retiram-se todas as fontes de calor e deixa-se arrefecer a peça. Depois de atingida a temperatura ambiente, pode extrair-se facilmente a peça do mandril, resultando uma peça consolidada "in situ" com um teor de vazios inferior a 5 %, não exigindo quaisquer operações de pós--consolidação. A ondulação anular e axial das camadas da peça é inferior a metade da espessura da camada.

Breve descrição dos desenhos

As figuras dos desenhos anexos representam: 4- A fig. 1, uma vista de lado esquemática de um aparelho de enrolamento para a realização do processo segundo a presente invenção; A fig. 2, uma vista esquemática em perspectiva isométri-ca ampliada de um dispositivo para aplicação de pressão ao mandril; A fig. 3, uma vista esquemática em perspectiva"isométri-ca de outro dispositivo para aplicar pressão ao mandril;

As fig. 4 e 5, vistas esquemáticas em perspectiva isomé-trica de uma parte da peça enrolada, mostrando a direcção axial e a direcção anular, respectivamente; e

As fig. 6 e 7, microfotografias ampliadas que mostram a ondulação das camadas anular e axial, respectivamente, de um produto4 segundo a presente invenção.

Descrição pormenorizada das formas de realização ilustra- das

Na fig. 1, a cabeça de assentamento dos fios usada no processo segundo a presente invenção tem a referência genérica (10) e está representada como incluindo um carro (12) de deslocamento lateral, no qual está montado um braço de alimentação (14), movei aproximando-se e afastando-se de um mandril rotativo (16). O carro de deslocamento transversal, o braço de alimentação e o mandril constituem um enrolador de filamentos de eixo triplo mo- (r) delo W60-16 com um computador Compositrak ^ da McClean Anderson -5- de Milwaukee, Wis.. Montados no braço de alimentação (14) há aquecedores de infravermelhos (18), uma guia aquecida (20), um aquecedor (22) de chama aberta e um dispositivo (21), cuja superfície é empurrada contra os fios não torcidos que estão a ser enrolados no mandril por um cilindro de ar comprimido (23) (fig. 1 ).

Quando o carro (12) se desloca transversalmente ao longo do mandril (16) uma pluralidade de segmentos de fios não torcidos (24) de resina termoplástica reforçada com fibras são puxados de uma pluralidade de bobinas (26) montadas em estantes de bobinas de saída (25), contra um nível desejado de contratensão (na gama compreendida entre 5 % e 50 % da tensão de rotura de tracção dós fios não torcidos) aplicada por uma máquina (não representada), associada à estante de bobinas para controlar a : tensão de desenrolamento nas bobinas (26), tal como um compensador de tensão de tipo conhecido pelos especialistas na matéria.

Quando a cabeça de colocação dos fios se desloca relativamente à estrutura que está a ser enrolada no mandril (16), os segmentos (24) de fiò impregnados de resina termoplástica são expostos aos aquecedores irradiadores (18). Nestes aquecedores, a resina ‘termoplástica é aquecida até uma temperatura dentro de uma tolerância de 10° da sua temperatura de fusão. Os segmentos de fio passam depois através de uma guia aquecida (20) que, na forma de realização preferida, ê um olhai circular envolvido com um aquecedor de fita de funcionamento eléctrico, que eleva a temperatura do termoplástico até um valor superior ao seu ponto de fusão, mas inferior á temperatura de degradação, que se supõe ser inferior ao ponto de fusão das fibras de reforço. Montado na extremidade dianteira do braço de alimentação (14) está um aquecedor (22) de chama aberta, com um bico de propano, sobre o qual passam os fios (24) para o local de deposição (28) no mandril (16). 0 aquecedor aquece a superfície da peça que e enrolada no mandril, através do calor induzido do mandril e por aquecimento directo dos segmentos de fio (24), enquanto se deslocam da guia (20) para o local (28) para garantir superfícies fundidas adaptadas no local do assentamento (28).

Numa forma de realização, para a aplicação de uma força adicional ao mandril, representada na fig. 2, o dispositivo (21) compreende uma sapata aquecida (30) (isto ê, uma primeira superfície) e um cilindro (32) (isto é , uma segunda superfície) montada em braços rotativos (31,33) que, por sua vez, estão ligados ao cilindro de ar comprimido (23) montado no braço de alimentação (14) (fig. 1). Os braços rotativos (31,33) também contêm uniões rotativas para permitir a circulação de água através do cilindro (32) para arrefecer a superfície dò cilindro. A sapata é aquecida por um aquecedor de cartucho (34) embebido por baixo da superfície da sapata.

Numa outra forma de realização representada na fig. 3, o dispositivo (21*) compreende dois cilindros (32a) e (32b), mon1 tados em braços rotativos (31) e (33) que, por sua vez, estão ligados ao cilindro de ar comprimido (23). Faz-se circular água através dos cilindros (32).

Teor de vazios

Para determinar o teor de vazios numa amostra do compósito, tem de medir-se a densidade da amostra e calcular a densidade de uma amostra sem vazios. A partir destes dois numeros, pode determinar-se o teor de vazios da amostra.

Medição da densidade da amostra:

Mediu-se adensidade das amostras usando o processo de ensaio da norma ASTM D 792-66. Seguiram-se os procedimentos seguintes : 1) Pesagem da amostra no ar (a) 2) Pesagem da amostra na água (b) 3) Cálculo do peso específico da amostra (p.e.): p.e.=a/ /(a-b) 4) Cálculo da densidade da amostra

Densidade medida = p.e. x densidade da água à temperatura da medição.

Densidade teórica para uma amostra sem vazios:

Dc = (Df . Vf) + (Dm . Vm) onde:

Dc = densidade do compósito

Df = densidade da fibra

Dm = densidade da matriz

Vf = volume de fibras

Vm = volume da matriz -a

Calculo do teor de vazios (%) % de vazios = (densidade teórica - densidade medida) ^ -] QO densidade teórica

Ondulagão anular e axial

Para determinar a ondulação anular e axial, corta-se uma secção de uma peça enrolada, como se mostra nas fig. 4 e 5. Mergulha-se a secção numa resina epoxídica e dá-se polimento às superfícies a observar. Tira-se uma microfotografia como se mostra nas fig. 6 e 7 da superfície observada e mede-se a ondulação colocando uma régua na microfotografia e contando o numero de vezes que uma camada se afasta de uma linha recta, no caso de uma camada axial (50) (fig. 7) ou de um arco de circunferência uniforme, no caso de uma camada anular (52) (fig. 6).

EXEMPLOS

Os exemplos seguintes foram feitos de acordo com o processo representado na fig. 1, sendo o fio não torcido fornecido a partir de uma estante de bobinas para uma cabeça com movimento transversal, depois para um mandril rotativo. Os fios sao aquecidos até à temperatura de fusão por meio de aquecedores de infravermelhos. São depois guiados para sobre o mandril, usando um olhai de guia aquecido. Aplica-se uma força para consolidar os fios no local no mandril onde os fios são depostos. No Exemplo 1, utilizou-se um sistema duplo de cilindros arrefecidos por água, como se representa na fig. 3, para aplicar a força; o fio é uma resina de PEEK (poliétèr-éter-cetona) reforçada com fibras de carbono. No Exemplo II, utilizou-se um sistema duplo de ci-\ lindros arrefecidos por água, como se representa na fig. 3; os fios são de resina PEKK (poliêter-cetona-cetona) reforçada com fibras de carbono e no Exemplo III foi usado um sistema de cilindro unico arrefecido por água sendo o fio de resina PEKK reforçada com fibras de vidro. As condições para cada um dos Exemplos estão indicadas a seguir.

Exemplo I Exemplo II : Exemplo III Numero da peça T6253-92 T6253-117 T6347-26 Numero de extremidades 2 2 4 Tipo de fibra Grafite AS4 Grafite AS4 Vidro-S Dimensões das fibras 12 K 12 K Tipo de resina PEEK PEKK PEKK Espessura das camadas (mm) 0,254 0,254 0,254 Tensão (g/final) 4000 4500 4500 Velocidade de enrola- mento (m/min) 13,716 13,716 12,802 Temperatura do fio (°C) 380 380 360 Temperatura de depo- sição (°C) 360-380 360-380 340-360

Carga dos cilindros (Kg) 72,575 56,669 Carga da sapata quente (Kg) não usada 56,669 Temperatura da sapata quente (°C) não usada 380 A construção da peça final foi:

Diâmetro da peça (cm) Espessura da peça (mm) Orientação das fibras (graus) 76,2 6,09 76,2 6,35 90 90

As peças foram cortadas e ensaiadas, com os seguintes: Teor de fibras em volume (%) 54,9 56,3 Teor de vazios (%) 3,2 0,2 Ondulação das fibras Ondulação média (mm) -direcção anular nula nula (dobras axiais) -direcção axial (dobras anulares) 56,669 não usada nao usada 60,50 13,716 0/90 resultados 60,2 4,3 0,1 ^ 0,05 ,/0,05 ,/_ 0,05

Claims

1.- Processo para a construção e consolidação de uma estrutura compósita a partir de um fio de resina termoplas^ tica reforçada com fibras que inclui as fases de fazer avançar um fio sob tensão para um mandril rotativo, criando a referida tensão uma força no fio quando ele· i colocado no mandril, prê--aquecer o referido fio antes de atingir o referido mandril e guiar o referido fio num trajecto helicoidal de uma guia que atravessa axialmente o referido mandril, caracterizado pelos aperfeiçoamentos que consistem em: aplicar uma força adicional ao fio num sítio onde o fio ê colocado no mandril, por meio de

uma superfície empurrada contra o fio no referido sítio.

2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado por se fornecer-o referido fio sob uma tensão de cerca de 5% a cerca de 50% da sua tensão final de rotura, estando a re ferida força adicional compreendida no intervalo de 2 x 8,79 a 11,95 Kg/cm2 (125 a 170 psi).

3. - Processo-de acordo com a.reivindicação 1, carac terizado por incluir a fase de arrefecer a referida superfície.

4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado por a referida superfície compreender uma primeira súper fície e uma segunda superfície, sendo a primeira superfície aque cida e sendo a segunda superfície arrefecida.

5. - Produto de resina termoplástica reforçada com fibras consolidado "in situ", enrolado.a partir de um certo número de fios de resina termoplástica reforçada.com fibras, caracte rizado por ter um diâmetro maior do que 31,8 cm (15"), um conteíí do de espaços vazios inferior a 5%, uma ondulação anular média e uma ondulação média das camadas axiais.inferior a metade da es pessura das camadas.

6.- Produto de acordo com a reivindicação 5, carac- terizado por as referidas fibras serem de carbono e a referida resina ser poliéter-éter-cetona..

7. - Produto de acordo com a reivindicação 5, carac terizado por as referidas fibras serem de carbono e a referida resina ser poliáter-cetona-cetona. .

8. - Produto de acordo com a reivindicação 5, carac terizado por as referidas fibras serem fibras de vidro e a referida resina ser poliéter-cetona-cetona.

9. - Produto de acordo com a reivindicação 8, carac-terizado por ter^uma estrutura nervurada.

10. - Aparelho para enrolar um fio de resina termoplástica reforçada com fibras num mandril .rotativo, que inclui uma fonte do referido- fio, meios para dar tensão ao referido fio e um carro que inclui uma guia para dar ao fio um movimento de vai-vém lateral no mandril para enrolar um produto, caracteriza-do por incluir os aperfeiçoamentos que consistem numa superfície posicionada num sítio onde o fio é depositado no mandril e meios para comprimir a referida superfície contra o referido mandril.

11. - Aparelho de acordo com a reivindicação 10, ca-racterizado por a referida superfície compreender uma primeira superfície e uma segunda superfície.

12.- Aparelho de acordo com a reivindicação 11, ca racterizado por incluir meios para aquecer a referida primeira superfície e meios para arrefecer a referida segunda superfície Θ Agente Oficiei da Propriedade Industrial ^7 }