BRPI0613866A2 - processo para a fabricação de um componente estrutural de material composto de fibras curvado tridimensional - Google Patents
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Abstract
PROCESSO PARA A FABRICAçãO DE UM COMPONENTE ESTRUTURAL DE MATERIAL COMPOSTO DE FIBRAS CURVADO TRIDIMENSIONAL. A presente invenção refere-se a um processo para a fabricação de um componente estrutural de material composto de fibras curvado tridimensional, que apresenta uma seção perfilada de viga flexível predetermi- nada com, pelo menos, uma área da alma e, pelo menos, uma área do flange adjacente a ela com fibras de 0<syn>, compreendendo as etapas seguintes: a) preparação de um forro de fibras de base plano, que pode ser drapeado em pelo menos, um plano; b) disposição de uma tira de forro de fibras unidirecional com fibras de O<syn> sobre uma área parcial do forro de fibras prepara- do, que está no componente estrutural de material composto de fibras a ser fabricado na, pelo menos uma, área doflange; c) fixação da tira de forro de fibras sobre um forro de fibras de base através de costura por meio de, pelo menos, uma primeira costura de fixação, para a formação de uma tira de forro de fibras pré-confeccionada, que dispõe de uma área do flange contendo a tira de forro de fibras unidirecional, e uma área da tira da alma livre da tira de forro de fibras unidirecional; d) preparação da tira de forro de fibras plana, pré-confecionada em um plano de trabalho; e) drapeamento da tira de forro de fibras pré-confecionada correspondente ao contorno deseja- do do componente estrutural de material composto de fibras curvado tridi- mensional a ser fabricado, sendo que, a área da tira do flange da tira de forro de fibras é dobrada em ângulo em relação à área da tira da alma para fora do plano de trabalho, e é curvado apenas em um eixo em torno de, pelo menos, um eixo de curvatura, que se estende perpendicular às fibras de O<syn> e paralelo ao plano da tira da tira de forro de fibras unidirecional; e a área da tira do flange da tira de forro de fibras é drapeada, em essência, somente no plano de trabalho e, neste caso, sua disposição de fibras é deformada; e f) costura da tira de forro de fibras pré-confeccionada sobre um material de suporte drapeado em, pelo menos, um plano, por meio de, pelo menos, uma segunda costura de fixação, que é feita em uma área de passagem entre a área da tira do flange e a área da tira da alma somente na área da tira da alma, de tal modo que é formada uma primeira subpeça pré-moldada de forro de fibras curvada tridimensional, adaptada ao componente estrutural de material composto de fibras a ser fabricado.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOPARA A FABRICAÇÃO DE UM COMPONENTE ESTRUTURAL DE MATERIAL COMPOSTO DE FIBRAS CURVADO TRIDIMENSIONAL".
A presente invenção refere-se a um processo para a fabricaçãode um componente estrutural de material composto de fibras curvado tridi-mensional. Componentes estruturais de material composto de fibras dessetipo são empregados, por exemplo, como Iongarinas ou cavernas, isto é,componentes de suporte de uma asa de aeronave. A Iongarina em forma deviga tem a tarefa de absorver as forças transversais e momentos de flexãoresultantes das forças do ar e de inércia. Longarinas são também emprega-das, por exemplo, em pás de rotores, por exemplo, de instalações de ener-gia eólica e em helicópteros. Além disso, longarinas, em particular, Iongari-nas construídas de componentes estruturais de material composto de fibras,também encontram aplicação em mecanismos de direção de uma aeronave.
Em geral, longarinas desse tipo são constituídas, em essência,de dois componentes, que assumem diversas tarefas. Os denominadosflanges recebem as forças normais dos momentos de flexão. A alma de em-puxo que liga os flanges recebe as forças transversais e conduz o empuxoentre os flanges.
No caso de aeronaves da forma de construção de material sinté-tico, nos quais as longarinas são construídas de material composto de fi-bras, os flanges são fabricados de uma camada unidirecional (resumido,camada UD). A alma de empuxo é constituída de um tecido ou forro sob, porexemplo, 45°, por exemplo, do denominado AWV45. Camada unidirecionalé a denominação para uma camada de um composto de material sintéticode fibras, no qual todas as fibras são orientadas para uma única direção e,neste caso, por isso também é denominada como forro de fibras de 0o, istoé, as fibras estão alinhadas na direção longitudinal da tira. Neste caso, asfibras são adotadas distribuídas como idealmente paralelas e homogêneas.A camada unidirecional é isótropa transversal.
A partir de camadas unidirecionais podem ser formadas todasas fibras semi-acabadas usadas em compostos de material sintético de fi-bras, por exemplo, tecido, velo, forro multiaxial.
Um tecido representa um composto cruzado, que é formado deduas camadas UD torcidas entre si em torno de 90°.
Em longarinas de asas como componente estrutural de materialcomposto de fibras é conhecido usar a camada unidirecional como flange,que absorve as forças normais dos momentos de flexão. Ao lado do forrounidirecional para os flanges, o componente estrutural de material compostode fibras inclui a alma de empuxo, que é formada de um tecido ou de umforro, sendo que, em um tecido, através da tecelagem surge uma ondulaçãodas fibras que pode levar a uma diminuição da resistência à pressão parale-la às fibras. Em um forro, que é mantido junto através de uma junção de pa-pel ou bandeira, as fibras ficam, de modo ideal, paralelas e estendidas.
Para a fabricação de uma peça pré-moldada com forma tridi-mensional, de um componente estrutural de material composto de fibrascurvado é conhecido, com base em materiais semi-acabados disponíveis,isto é, fibras secas ou eventualmente pré-impregnadas, reunidas para for-mar determinados forros, fabricar, por meio de técnica de costura, compo-nentes de peças pré-moldadas com a forma final, isto é, componentes depeças pré-moldadas, respectivamente, tridimensionais que possuam formaestável em um espaço tridimensional. Estes componentes de peças pré-moldadas são costuradas para formar peças pré-moldadas tridimensionais.Neste caso o processo de costura é tridimensional.
De modo alternativo pode ser empregada uma denominada pré-moldagem de ligação, com a qual, contudo, a colocação de tiras tridimensio-nais nos flanges é difícil.
A tarefa da invenção é prover um processo para a fabricação deum componente estrutural de material composto de fibras curvado tridimen-sional, por exemplo, de uma caverna ou Iongarina na construção de aerona-ves ou helicópteros, que possibilite, com pouco dispêndio de produção, tra-zer as fibras e forros de fibras unidirecionais para uma forma tridimensional,na qual a orientação de fibras desejada é garantida nas respectivas áreas.
Esta tarefa é solucionada por um processo com as característi-cas da reivindicação 1. Formas de execução preferidas estão indicadas nasreivindicações dependentes.
O aspecto essencial da invenção consiste no fato que, atravésda alteração da seqüência de costura, isto é, da costura objetiva de forro defibras de base, que são adaptadas às forças a serem absorvidas atravésdas áreas individuais do componente de material estrutural composto defibras, fabricar, de modo plano, em primeiro lugar, uma tira de forro de fibraspré-confeccionada, com áreas de partes de forro de fibras de alinhamentodistinto, inclusive tiras de fibras unidirecionais e, por exemplo, alinhamentosde fibras em uma faixa de ±45° a ±60°. Esta tira de forro de fibras pré-confeccionada é, então, drapeada de modo tridimensional de acordo com ocontorno desejado do componente estrutural de material composto de fibrasa ser fabricado, de tal modo que, uma parte da tira de forro de fibras pré-confeccionada é dobrada em ângulo, para fora do plano de trabalho em re-lação a uma outra área da tira de forro de fibras, de preferência, é curvadaapenas em um eixo em torno de um eixo de curvatura, que se estende, depreferência, perpendicular às fibras unidirecionais, e paralelo ao plano datira das fibras unidirecionais. Nesta forma drapeada tridimensional a tira deforro de fibras pré-confeccionada é costurada sobre um material de suportepara a formação de uma primeira subpeça pré-moldada de forro de fibrasestabilizada.
É particularmente preferido para o emprego na construção deaeronaves, para a formação de componentes estruturais de material com-posto de fibras, por exemplo, componentes estruturais de material compostode fibras que formam longarinas se, o forro de fibras de base possuir umalinhamento de fibras, que se situa na faixa de ±30° até ±65°, de preferên-cia, na faixa de ±45° até ±60°, e, de forma mais preferida tenha um alinha-mento de fibras de ±45°.
De acordo com uma forma de execução particularmente preferi-da, a tira de forro de fibras pré-confeccionada é drapeada, de tal modo que,a fita de forro de fibras de 0o unidirecional na subpeça pré-moldada de forrode fibras forma parte de um elemento de flange uma futura seção transver-sal da viga flexível do componente estrutural de material composto de fibras.
Neste caso, de preferência, parte-se da fita de forro de fibras de0^ para a fabricação e o drapeamento da tira de forro de fibras pré-confeccionada, isto é, na primeira etapa de costura esta área é colocadaplana, e na etapa da costura sobre um suporte, esta área é colocada demodo correspondente à forma desejada. O forro de fibras de base com ou-tro alinhamento das fibras é deformado, de modo correspondente, de prefe-rência, no plano em que ele segue a forma predeterminada pela tira UD.
De acordo com uma forma de execução particularmente preferi-da, em particular, para a execução de uma Iongarina em C como componen-te estrutural de material composto de fibras, as etapas de a) até f) são reali-zadas uma segunda vez, mais precisamente, para a formação de, pelo me-nos, uma segunda subpeça pré-moldada de forro de fibras, sendo que, tantoa primeira, bem como, a segunda subpeça pré-moldada de forro de fibraspossuem, em essência, uma forma em L. A segunda subpeça pré-moldadade forro de fibras com a primeira subpeça pré-moldada de forro de fibras éinserida como segunda camada na primeira subpeça pré-moldada de forrode fibras como segunda camada em forma de encaixe, e é ligada com essapeça através de costura. Neste caso, as subpeças pré-moldadas de forro defibras são inseridas uma dentro da outra, de preferência, em forma de en-caixe, pelo fato de que, uma subpeça pré-moldada de forro de fibras fabri-cada com uma tira de base, que na largura é reduzida em relação à outratiras de base da outra subpeça pré-moldada de forro de fibras, é drapeadacom sobreposição, e é ligada por meio de costura, de preferência, por con-seguinte, as respectivas tiras de base se sobrepõe, pelo menos, parcialmente.
De preferência, em uma outra etapa, as subpeças pré-moldadasde forro de fibras são embebidas juntas, isto é, no estado ligado, com a pe-ça pré-moldada de forro de fibras, com uma resina que pode ser endurecida,e a resina é endurecida.
De acordo com uma forma de execução preferida, neste caso, omaterial de suporte é retirado antes de embeber com resina. De modo quesejam necessárias partes de molde que alinham a tira do forro de fibras uni-direcional e o forro de fibras de base um em relação ao outro. Por exemplo,a tira de forro de fibras pode ser fixada no forro de fibras de base com costu-ras de fixação que passam transversais à direção das fibras da tira de forrode fibras unidirecional. Com isto se forma uma tira de forro de fibras pré-confeccionada, plana, que tem uma área da tira do flange que contém a tirade forro de fibras unidirecional e uma área da tira da alma livre, que no e-xemplo apresenta o alinhamento de fibras de ±45°. Esta combinação de tirade forro de fibras com fibras de O0 e tira de forro de fibras com um alinha-mento de fibras adaptado às futuras cargas esperadas é preparada no planode trabalho, por exemplo, na mesa de costura. Também para este processode costura, um gabarito sobre a mesa ou um controle automático no planopode predeterminar a posição das costuras. Neste caso, as partes da tiranão precisam ser deformadas.
Em seguida, a disposição é drapeada com uma cota de alinha-mento de fibras de 0o e de ±45° de modo correspondente ao contorno dalongarina ou da caverna, e é costurado em um material de suporte, que ésuficientemente estável quanto à forma. De preferência, neste caso, a tiraunidirecional em torno de um eixo, que está, em essência, perpendicular àdireção da fibra da tira unidirecional, é dobrada em ângulo para fora do pla-no de trabalho de tal modo que, através da tira unidirecional são formadosos flanges da Iongarina (flanges opostos do C). A área da tira da alma, queé formada da tira de forro de fibras de base permanece, por sua vez, noplano de trabalho, sendo que, contudo, devido ao drapeamento tridimensio-nal da área do flange (sem deformar esse flange) a disposição de fibras doforro de fibras de base é deformada com um outro alinhamento diferente deum alinhamento unidirecional no plano. Para isso, durante o processo dedrapeamento e durante o processo de costura logo em seguida, com ummaterial de suporte estão previstos um avanço e uma rotação simultânea,que leva a uma deformação do material de fibras unidirecional, em relação àtira do forro de fibras de base. Esse processo de costura também pode serautomatizado, ou pode se servir de gabaritos planos.o forro de fibras de base. Isto ocorre de modo plano, isto é, em um plano,sem que sejam necessárias partes de molde que alinham a tira do forro defibras unidirecional e o forro de fibras de base um em relação ao outro. Porexemplo, a tira de forro de fibras pode ser fixada no forro de fibras de basecom costuras de fixação que passam transversais à direção das fibras datira de forro de fibras unidirecional. Com isto se forma uma tira de forro defibras pré-confeccionada, plana, que tem uma área da tira do flange quecontém a tira de forro de fibras unidirecional e uma área da tira da alma li-vre, que no exemplo apresenta o alinhamento de fibras de ±45°. Esta com-binação de tira de forro de fibras com fibras de 0^ e tira de forro de fibrascom um alinhamento de fibras adaptado às futuras cargas esperadas é pre-parada no plano de trabalho, por exemplo, na mesa de costura. Tambémpara este processo de costura, um gabarito sobre a mesa ou um controleautomático no plano pode predeterminar a posição das costuras. Neste ca-so, as partes da tira não precisam ser deformadas.
Em seguida, a disposição é drapeada com uma cota de alinha-mento de fibras de 0o e de ±45° de modo correspondente ao contorno dalongarina ou da caverna, e é costurado em um material de suporte, que ésuficientemente estável quanto à forma. De preferência, neste caso, a tiraunidirecional em torno de um eixo, que está, em essência, paralela à direçãoda fibra da tira unidirecional, é dobrada em ângulo para fora do plano detrabalho de tal modo que, através da tira unidirecional são formados os flan-ges da longarina (flanges opostos do C). A área da tira da alma, que é for-mada da tira de forro de fibras de base permanece, por sua vez, no plano detrabalho, sendo que, contudo, devido ao drapeamento tridimensional da á-rea do flange (sem deformar esse flange) a disposição de fibras do forro defibras de base é deformada com um outro alinhamento diferente de um ali-nhamento unidirecional no plano. Para isso, durante o processo de drapea-mento e durante o processo de costura logo em seguida, com um materialde suporte estão previstos um avanço e uma rotação simultânea, que leva auma deformação do material de fibras unidirecional, em relação à tira doforro de fibras de base. Esse processo de costura também pode ser auto-matizado, ou pode se servir de gabaritos planos.
Essa tira de forro de fibras drapeada em forma de L é drapeadasobre um material de suporte de forma estável, e é estabilizada por meio deuma segunda costura de fixação, de tal modo que é formada uma primeirasubpeça pré-moldada de forro de fibras curvada tridimensional, adaptada aocomponente estrutural de material composto de fibras a ser fabricado, ouseja, à longarina, em particular, um molde em L constituído de um flange e,pelo menos, uma parte da alma de empuxo. Durante a costura com o mate-rial de suporte, a costura de fixação é feita em uma área de passagem entrea área da tira do flange e a área da tira alma, somente na área da tira alma,de tal modo que, a deformação da área da tira alma é fixada com relação aoseu alinhamento da fibra. O material de suporte serve, de preferência, parafixar a deformação da área da tira alma, de tal modo que isso também sópode estar previsto nessa área.
Em seguida, é fabricada uma segunda subpeça pré-moldada deforro de fibras da mesma forma que, do mesmo modo, tem uma forma em Le molda um flange e uma parte da alma de empuxo.
As duas subpeças pré-moldadas de forro de fibras são ligadasentre si para formar uma peça pré-moldada de fibras, pelo que suas respec-tivas áreas de alma são sobrepostas, pelo menos, parcialmente, e são inse-ridas uma dentro da outra em forma de encaixe. Essa disposição é fixadapor meio de outras costuras. A disposição resultante é embebida, em segui-da, com uma resina que pode ser endurecida, sendo que, ela tem forma es-tável, tanto devido aos processos de costura, como também devido ao ma-terial de suporte, de tal modo que, também após o endurecimento da resinaé mantida a forma desejada do componente estrutural de material compostode fibras. Em função da estabilidade da disposição costurada, o material desuporte também pode ser retirado, antes de embeber com resina.
O processo de acordo com a invenção, com as etapas de costu-ra no plano de trabalho e o alinhamento seguinte entre as faixas de forro defibras unidirecionais e um forro de fibras de base plano também pode serempregado para outros componentes estruturais de material composto defibras ou longarinas, por exemplo, Iongarinas em I ou Iongarinas em caixa,sendo que, então, a ligação entre o forro de fibras unidirecional e multidire-cional ocorre de modo correspondente.
Durante o processo de fixação da costura é costurado, de prefe-rência, ao longo de uma plotagem de papel da costura pretendida que pas-sa, sobre a qual está desenhado o contorno. Para a guia da parte da tiraunidirecional, a tira unidirecional que está fixada na alma é conduzida nacabeça da costura, de tal modo que o drapeamento do forro multidirecionalocorre automaticamente no plano.
Claims (8)
1. Processo para a fabricação de um componente estrutural dematerial composto de fibras curvado tridimensional, que apresenta uma se-ção perfilada de viga flexível predeterminada com, pelo menos, uma área daalma e, pelo menos, uma área do flange adjacente a ela com fibras de 0°,caracterizado por compreender as etapas seguintes:a) preparação de um forro de fibras de base plano, que podeser drapeado em pelo menos, um plano;b) disposição de uma tira de forro de fibras unidirecional comfibras de O0 sobre uma área parcial do forro de fibras pre-parado, que está no componente estrutural de materialcomposto de fibras a ser fabricado na, pelo menos uma,área do flange;c) fixação da tira de forro de fibras sobre um forro de fibrasde base através de costura por meio de, pelo menos, umaprimeira costura de fixação, para a formação de uma tirade forro de fibras pré-confeccionada, que dispõe de umaárea do flange contendo a tira de forro de fibras unidirecio-nal, e uma área da tira da alma livre da tira de forro de fi-bras unidirecional;d) preparação da tira de forro de fibras plana, pré-confecio-nada em um plano de trabalho;e) drapeamento da tira de forro de fibras pré-confecionadacorrespondente ao contorno desejado do componente es-trutural de material composto de fibras curvado tridimensi-onal a ser fabricado, sendo que,a área da tira do flange da tira de forro de fibras é dobrada emângulo em relação à área da tira da alma para fora do plano de trabalho, e écurvado apenas em um eixo em torno de, pelo menos, um eixo de curvatura,que se estende perpendicular às fibras de 0o, e paralelo ao plano da tira datira de forro de fibras unidirecional; ea área da tira do flange da tira de forro de fibras é drapeada, emessência, somente no plano de trabalho e, neste caso, sua disposição defibras é deformada; ef) costura da tira de forro de fibras pré-confeccionada sobreum material de suporte drapeado em, pelo menos, um pla-no, por meio de, pelo menos, uma segunda costura de fi-xação, que é feita em uma área de passagem entre a áreada tira do flange e a área da tira da alma somente na áreada tira da alma, de tal modo que é formada uma primeirasubpeça pré-moldada de forro de fibras curvada tridimen-sional, adaptada ao componente estrutural de materialcomposto de fibras a ser fabricado.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que, o forro de fibras de base preparado na etapa a) possui um ali-nhamento de fibras, que se situa em uma faixa de ±30° até ±65°, em parti-cular, em uma faixa de ±45° até ±60°, de forma mais preferida em ±45°.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que, na etapa e a fita de forro de fibras de 0o serve como refe-rência para o drapeamento e a fixação da tira de forro de fibras pré-confeccionada.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a-3, caracterizado pelo fato de que, as etapas de a) até f) são realizadas denovo para a formação de uma segunda subpeça pré-moldada de forro defibras e a segunda subpeça pré-moldada de forro de fibras é inserida comosegunda camada em forma de encaixe na primeira subpeça pré-moldada deforro de fibras, e é ligada com essa peça através de costura para formaruma peça pré-moldada de fibras.
5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que, a primeira subpeça pré-moldada de forro de fibras e a segundasubpeça pré-moldada de forro de fibras são, respectivamente, em forma deL, e as áreas da tira da alma da primeira e da segunda subpeça pré-moldada de forro de fibras são ligadas entre si para formar uma peça pré-moldada de fibras de tal modo que, a peça pré-moldada de fibras tem umaforma de C.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que, a subpeça pré-moldada de forro de fibrasou a peça pré-moldada de fibras é embebida em uma etapa g) com umaresina que pode ser endurecida, e a resina é endurecida.
7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que, antes da etapa g) o material de suporte é retirado da peça pré-moldada de fibras e/ou da subpeça pré-moldada de forro de fibras.
8. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que, na etapa g) o material de suporte é embebido com a resina jun-to com a subpeça pré-moldada de forro de fibras e/ou com a peça pré-mol-dada de fibras.
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