BRPI0613882A2 - processo de produção para o reforço de materiais de núcleo para compósitos de núcleo e estruturas de compósito de núcleo - Google Patents

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Abstract

PROCESSO DE PRODUçãO PARA O REFORçO DE MATERIAIS DE NúCLEO PARA COMPóSITOS DE NúCLEO E ESTRUTURAS DE COMPóSITO DE NúCLEO. A presente invenção refere-se a um reforço de estrutura tipo sanduíche por meio de um dispositivo de reforço. A estrutura tipo sanduíche que cobre camadas podem ser principalmente produzidas de um compósito (FKV) e um material de núcleo de espuma rígido de polímero. O reforço é realizado por um aperto, que penetra a estrutura de sanduíche ou o material de núcleo, apenas (vide figura: primeiro estágio) a um lado, desse modo obtendo-se uma penetração de orifício através da espuma rígida de polímero (vide figura: segundo estágio). No lado oposto, o dito aperto captura a estrutura de reforço (por exemplo, um fio de costura, barras de compósito de fibra de plástico pultrudado) (vide figura: segunda estágio) e insere a estrutura de reforço para dentro da estrutura de sanduíche durante o movimento da mesma para trás. (vide figura: terceiro estágio). O furo com saída é adicionalmente aumentado pela estrutura de reforço, desse modo tornando-a possível se obter uma parte de volume de fibra importante no orifício passante do material de núcleo. Contrário aos processos de costura convencionais, torna possível influenciar o oríficio que passa através do material de núcleo principalmente com a estrutura de reforço. Depois do processo de reforço, a estrutura de tipo sanduíche é impregnada com um material de matriz termo-plástico ou durómero por um método de moldagem de compósito líquido. Os fios de costura impregnados são expressos no material de núcleo na forma de elementos de FKV unidirecionais sólidos e altamente rígidos que reforçam o material de núcleo e a estrutura de sanduíche total.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSODE PRODUÇÃO PARA O REFORÇO DE MATERIAIS DE NÚCLEO PARACOMPÓSITOS DE NÚCLEO E ESTRUTURAS DE COMPÓSITO DE NÚCLEO".
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se ao projeto e produção de elemen-tos de reforço que atravessam a espessura do compósito de núcleo de acor-do com o preâmbulo da reivindicação 1 para a resistência de estruturas decompósito de núcleo.
A invenção é adequada para o reforço de estruturas de compósi-to de núcleo. As estruturas de compósito de núcleo podem de preferênciacompreender um compósito de fibra de plástico com camadas de coberturade produtos semi-acabados têxteis (figura 1; 3 e 5, por exemplo, panos detecidos ou enrolados, esteiras etc.), um material de núcleo (Figura 1; 4, porexemplo, espuma polimérica) e um material de matriz polimérico (materialtermoplástico ou termoendurecimento). Compósitos de núcleo são estruturasque são constituídas de camada por camada e compreende camadas decobertura superior relativamente finas (Figura 1; 3) e camadas de coberturainferior (Figura 1; 5) e também uma camada de núcleo relativamente espes-so (Figura 1; 4) de baixa densidade aparente.
Com o auxílio desta invenção, as propriedades transversais (porexemplo, resistência e rigidez a tensão ou compressiva na direção z, resis-tência e rigidez a cisalhamento nos planos xz e yz, resistência a desprendi-mento entre a camada de cobertura e núcleo, comportamento de falta desegurança) e também as propriedades mecânicas em plano das estruturasde compósito de núcleo (por exemplo, rigidez e resistência na direção doplano da folha) podem ser aumentadas significativamente com o auxílio deelementos de reforço que atravessam a espessura.
Todos os métodos anteriormente conhecidos para o reforço deestruturas de compósito de núcleo na direção de sua espessura, tais como,por exemplo, técnica de costura de duas agulhas, costura cega ou costurade sela dupla e o método de tapeçar, têm a característica comum que oselementos de reforço (por exemplo, fios de costura, encarretações de fio deprimeira torção) são introduzidos para dentro da estrutura de compósito denúcleo juntamente com a agulha. No caso de materiais costurados de tipotêxtil convencionais, a penetração da agulha incluindo o fio de costura e oretiramento subseqüente da agulha de costura e deixando para trás o fio decostura no buraco de costura em geral não apresentam algum problema porcausa do efeito resiliente dos têxteis. No entanto, no caso de estruturas decompósito de núcleo com uma espuma rígida polimérica como o material denúcleo, a penetração da agulha incluindo o fio de costura leva a estruturacelular a ser destruída e a espuma rígida polimérica a ser deformada para otamanho do diâmetro de agulha de costura como um resultado de deforma-ção elástica e plástica.
Uma vez que a agulha de costura foi retirada e o fio de costurafoi deixado para trás no orifício de costura, há uma redução no furo "passan-te" por causa dos componentes de deformação elástica das paredes celula-res, pelo que o diâmetro de orifício de núcleo novamente se torna mais pe-queno do que o diâmetro da agulha de costura (vide a figura 2). Há uma de-pendência virtualmente linear entre o diâmetro do furo no núcleo que é usa-do (figura 2), isto é, quanto maior o diâmetro de agulha de costura, demasia-damente maior o furo resultante no núcleo. Além do mais, o fio de costuracausa aumento adicional do diâmetro de orifício de núcleo. Este aumentoadicional corresponde aproximadamente à área de seção transversal do fiode costura (figura 2). É também o caso aqui que, quanto maior a área deseção transversal do fio de costura usado, maior o aumento adicional.
Depois da impregnação da estrutura de compósito de núcleocom o material de matriz líquido e cura subseqüente, o diâmetro de orifíciode núcleo e o teor de volume de fibra do fio de costura no orifício de núcleopode ser determinado por meio de exames microscópicos. Os exames expe-rimentais sobre as estruturas de compósito de núcleo costurados por meiode tecnologia de costura de ponto de sela dupla e quando do uso de umaagulha de costura com um diâmetro de 1,2 mm e um fio de aramida com umpeso de linha de 62 g/km mostram aqui que o diâmetro da coluna de resinaobtida no material de núcleo (cerca de 1,7 mm) é maior do que o diâmetrode orifício de núcleo determinado de uma estrutura de compósito de núcleonão impregnado (cerca de 1,1 mm; comparam figuras 2 e 3) no caso de in-serção simples. A razão para isso é que paredes celulares adjacentes naregião do diâmetro de agulha de costura são destruídas pela inserção daagulha de costura. No processo de infiltração subseqüente, a resina podeentão penetrar para dentro desses poros abertos com um diâmetro médio decerca de 0,7 mm (figura 4).
Quando a técnica de costura de ponto de sela dupla é usada,com cada inserção dois fios de costura são sempre introduzidos na direção ζda estrutura de compósito de núcleo (vide figuras 4 e 5). A fim de aumentaro teor de volume de fio de costura dentro de um furo e conseqüentemente oefeito de reforço, já lugares costurados podem ser costurados uma vez maisou numerosas vezes. No entanto, fios de costura que estão já no orifício denúcleo podem ser danificados pela inserção renovada da agulha de costura.
Com o auxílio de exames microscópicos, pode ser estabelecido que o teorde volume de fio de costura pode não ser aumentado na proporção ao nú-mero de inserções, como seria esperado (figuras 3, 4 e 5). A razão para is-so, é que o diâmetro do orifício de núcleo não permanece constante quandoo número de inserções e os fios de costura introduzidos aumentam, uma vezque o diâmetro de orifício de núcleo é aumentado pela introdução adicionalde fios de costura por aproximadamente a área de seção transversal dos fios(figura 3, curva tracejadas). No entanto, é do mesmo modo estabelecido queo perfil de curva verdadeiro (figura 3, curva sólida) apenas obedece esta teo-ria quando há um número muito alto de inserções. Por contraste com isso,quando há um número pequeno de inserções, o diâmetro do orifício de nú-cleo aumenta para uma extensão desproporcionalmente maior. A razão paraisso, é o posicionamento exato da máquina de costura. Se uma posição quedeve ser costurada uma vez novamente for movida novamente, a água decostura não é inserida precisamente centralmente para dentro do orifício jáexistente mas um pouco para o lado, dentro dos limites do posicionamentoexato, pelo que o orifício de núcleo é aumentado desproporcionamento. De-pois da inserção para dentro do mesmo orifício de núcleo aproximadamenteoito vezes, o dito orifício, o dito orifício já foi aumentado para tal extensãoque a agulha de costura entre no orifício existente sem destruição adicionaldas paredes celulares. Com outras inserções, o aumento apenas ocorre co-mo um resultado dos fios de costura adicionais que são introduzidos. Nasfiguras 4 e 5 é mostrado o aumento possível no teor de volume de fio decostura como o número de fios de costura nos aumento de orifício de núcleo.A curva preta na figura 4 descreve o aumento proporcional do teor de volu-me de fio de costura com um diâmetro de orifício de núcleo constante, a cur-va tracejada o descreve com base na teoria acima mencionada de precisãode posicionamento exato e aumento adicional do diâmetro de orifício de nú-cleo como um resultado dos fios de costura introduzidos e a curva tracejadadescreve o perfil verdadeiro do teor de volume de volume de fio de costuraquando o número de fios de costura ou aumentos de inserções. No caso deinserção simples, apenas o teor de volume de fibra de cerca de 3,2% podeser alcançado, que pode ser aumentado apenas a cerca de 20% por inser-ção até 10 vezes (vide figuras 4 e 5). Por contraste com isso, o teor de vo-lume de fibra de um filamento de fio de costura simples é cerca de 58% (videfigura 4).
Está claro a partir desses exames que o diâmetro obtido no ma-terial de núcleo polimérico quando do uso de métodos de produção conven-cionais (por exemplo, tecnologia de costura de ponto de sela dupla) é princi-palmente dependente do diâmetro de agulha de costura usado, a área deseção transversal do fio de costura e o diâmetro de núcleo da espuma rígidapolimérica usado. Uma vez que, no caso de todos os métodos de reforçoanteriormente conhecidos agulhas de costura e fios de costura são inseridossimultaneamente para dentro da estrutura de compósito de núcleo, já háuma relação desfavorável entre a área de seção transversal de elementosde reforço que é introduzida e o tamanho do diâmetro de orifício de núcleo.Alto teor de volume de fibra no diâmetro de orifício de núcleo, similarmentealto ao teor de volume de fibra das camadas cobertura (maior do que 50%),conseqüentemente não pode ser alcançado com métodos de reforço con-vencionais. Uma vez que, no entanto, as propriedades mecânicas são prin-cipalmente influenciadas pelos elementos de alta rigidez e alta concentraçãoque são introduzidos, o objetivo deve ser para esforçar para um teor de vo-lume de fibra do reforço no diâmetro de orifício de núcleo que é tão altoquanto possível. Além do mais, o componente de alto teor de resina no diâ-metro de orifício de núcleo causa um aumento no peso, que no setor aero-espacial em particular não é tolerado.
OBJETIVO
A invenção é com base no objetivo de aperfeiçoar propriedadesmecânicas de estruturas de compósito de núcleo por incorporação de ele-mentos de reforço na direção da espessura da estrutura de compósito denúcleo (direção z), com a possibilidade de alcançar um alto teor de volumede fibra do reforço no diâmetro de orifício de núcleo. Além do mais, o pesodeve ser adversamente influenciado demais pela incorporação dos elemen-tos de reforço na estrutura de compósito de núcleo. Esta nova técnica decostura pode do mesmo modo ser usada para a pré-formação e fixação decomponentes estruturais adicionais (por exemplo, encordoadores, estruturasetc) à estrutura de compósito de núcleo.
SOLUÇÃO
Este objetivo é alcançado pela introdução de um furo necessáriono material de núcleo e a introdução da estrutura de reforço colocando-seem tempos diferentes entre si, pelo que o teor de volume de fibra do reforçono diâmetro de orifício de núcleo pode ser ajustado pela área de seçãotransversal do fio de costura que é usado. A figura 1 ilustra a invenção e oprojeto básico de uma estrutura de compósito reforçada de tal modo. Umsistema de aperto (2) produz uma inserção unilateral a partir de um lado daestrutura de compósito de núcleo (etapas 1 e 2) para dentro do material denúcleo (4) e opcionalmente através da camada de cobertura têxtil superior(3) e da camada de cobertura têxtil inferior (5) (etapa 2) e, com o auxílio deum aperto (1), recebe no lado oposto de uma estrutura de reforço (6), porexemplo, fio de costura, barras reforçadas de fibra-plástico "pultrudado", quesão fornecidas por meio de um dispositivo (7), (etapa 2), e introduz a estrutu-ra de reforço para dentro da estrutura de compósito de núcleo durante o mo-vimento para trás (etapa 3). Na etapa de processo subseqüente, o sistemade aperto (3) se move para cima e retira a estrutura de reforço para dentrodo núcleo ou para dentro da estrutura de compósito de núcleo (etapa 3).
Uma espuma rígida polimérica (por exemplo, PMI, PVC, PEI, PUetc.) pode ser usada como o material de núcleo (4). O material de núcleo (4)pode ter uma espessura de até 150 mm, uma largura de cerca de 1250 mme um comprimento de 2500 mm. A camada de cobertura têxtil superior (3) ea camada de cobertura têxtil inferior (5) podem ser construídas de modo i-dêntico ou diferentemente e consistem em materiais de reforço de vidro,carbono, aramida ou outros materiais de reforço. A espessura de um fila-mento de camada de cobertura têxtil individual pode ser idêntica ou diferentee está entre 0,1 mm e 1,0 mm. Materiais termoplásticos ou de termoendure-cimento podem ser usados como o material de matriz polimérico.
A estrutura de reforço (6) pode compreender tanto estruturas dereforço têxtil (por exemplo, fios de costura, encarretações de fio de primeiratorção) ou elementos em forma de barra (por exemplo, pinos de compósittode fibra plástica unidirecional, plástico ou metal não reforçado etc.). Diâme-tros típicos da estrutura de reforço (6) podem ser de 0,1 mm a 2,0 mm.
Na etapa de processo subseqüente, o material costurado da u-nidade de reforço é transportado ulteriormente para a próxima posição deinserção e o processo de reforço é então repetido lá. Além disso, a estruturade reforço fornecida pode ser cortada no comprimento, de modo que nãohaja ligação de uma inserção à outra. O corte no comprimento pode ser rea-lizado por todos os meios técnicos habituais, tal como, por exemplo, por cor-te mecânico ou por corte com chama. O puxamento para dentro da estruturade reforço pode causar aumento adicional do diâmetro de orifício de núcleopela inserção do sistema de aperto, pelo que um alto teor de volume de fibrapode ser realizado. Uma vez que os elementos de reforço são introduzidospara dentro da estrutura de compósito de núcleo ou apenas para dentro domaterial de núcleo por tensão, há um alinhamento muito bom e nenhumatorção da estrutura de reforço. Com o auxílio deste método de reforço, oselementos de reforço incorporados podem do mesmo modo ter um ângulooutro que não O0 em relação ao eixo z, por exemplo, +/-45°, sob carrega-mento com força puramente transversa.
O uso de estruturas de compósito de núcleo que são reforçadasna direção de sua espessura de acordo com a invenção podem ser usadasno setor de transporte, tais como, por exemplo, na construção aeroespacial,de veículo de motor, e de veículo de trilho e na construção naval, mas tam-bém nos setores médicos e esportivos bem como no comércio de construção.
Depois do processo de reforço, a estrutura de compósito de nú-cleo pode ser impregnada com um material de matriz de termoendurecimen-to ou termoplástico em um processo de moldagem de compósito líquido.
LISTA DE REFERÊNCIAS
1- aperto
2- sistema de aperto
3- camada de cobertura têxtil superior
4- material de núcleo
5- camada de cobertura têxtil inferior
6- estrutura de reforço
7- dispositivo para o fornecimento dos elementos de reforço (6)

Claims (9)

1. Processo de reforço para o compósito de núcleo,caracterizado pelo fato de que um sistema de aperto (1, 2) pro-duz uma inserção de um lado da estrutura para dentro do material de núcleo(4) ou para dentro do material de núcleo com camadas de cobertura aplica-das (3, 4), sobre o lado oposto aperta uma estrutura de reforço (6) e, por ummovimento para trás, introduz a mesma para dentro do material de núcleo(4) ou para dentro do material de núcleo com camadas de cobertura aplica-das (3, 4).
2. Processo de reforço para os compósitos de núcleo de acordocom a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de reforço(6) compreende estruturas ou elementos de reforço de tipo têxtil em formade barra.
3. Processo de reforço para os compósitos de núcleo de acordocom qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de queas camadas de cobertura (3) consistem em produtos semi-acabados têxteis,a camada de núcleo (4) de material de núcleo polimérico, natural ou texturi-zado e pelo fato de que as camadas de cobertura, a camada de núcleo e oselementos de reforço são embutidos em um material de matriz polimérico.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a-3, caracterizado pelo fato de que a estrutura de reforço (6) não é cortada nocomprimento depois da introdução para dentro do material de núcleo (4) oupara dentro do material de núcleo com camadas de cobertura aplicadas (3, 4).
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a-3, caracterizado pelo fato de que a estrutura de reforço (6) é cortada nocomprimento depois da introdução para dentro do material de núcleo (4) oupara dentro do material de núcleo com camadas de cobertura aplicadas (3, 4).
6. Compósitos de núcleo, obteníveis por um processo como de-finidos nas reivindicações 1 a 5.
7. Uso dos compósitos de núcleo como definido na reivindicação- 6, para a produção de veículos espaciais, aeronáuticos, marítmos, terrestrese ferroviários.
8. Uso dos compósitos de núcleo como definido na reivindicação- 6, para a produção de equipamento de esportes.
9. Uso dos compósitos de núcleo como definido na reivindicação- 6, para a produção de elementos estruturais para a construção de interior,feira promocional e exterior.
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