BRPI0721694A2 - procedimento e ferramenta para a fabricaÇço de estruturas reforÇadas a partir de materiais compostos - Google Patents
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Abstract
PROCEDIMENTO E FERRAMENTA PARA A FABRICAÇçO DE ESTRUTURAS REFORÇADAS A PARTIR DE MATERIAIS COMPOSTOS. A presente invenção refere-se a procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos formados por um revestimento externo (2) e por uma pluralidade de reforçadores (3), cuja seção transversal apresenta uma forma fechada definindo uma abertura interna (6), que compreende as seguintes etapas: a) prover uma ferramenta (34) de moldagem; b) prover ferramentas macho auxiliares (36) com cavidades internas (32) reforçadas (33) ao longo de seu comprimento, recobertas por membranas (37) adequadas à cura; c) prover reforçadores (3); d) dispor os reforçadores (3) na ferramenta (34) e, em suas aberturas internas (6), as ferramentas macho auxiliares (36); e) laminar o revestimento externo (2); f) curar a estrutura reforçada (1) em alta temperatura e pressão; g) extrair as ferramentas macho auxiliares (36) depois de reduzir sua seção (41); h) separar a estrutura reforçada (1) curada da ferramenta (34). A invenção também refere-se a ferramentas macho auxiliares (36), incluindo o desenho das cavidades internas (32), seu reforço (33) e a capacidade de manter ou reduzir sua seção com a aplicação de sobrepressão ou sobpressão, respectivamente.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCEDI- MENTO E FERRAMENTA PARA A FABRICAÇÃO DE ESTRUTURAS RE- FORÇADAS A PARTIR DE MATERIAIS COMPOSTOS".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um procedimento para a fabri-
cação de estruturas de material composto para fuselagens aeronáuticas, assim como a uma ferramenta empregada em um procedimento de fabrica- ção das mesmas. Antecedentes da Invenção Na indústria aeronáutica, o peso é um aspecto primordial, motivo
pelo qual as estruturas aperfeiçoadas fabricadas a partir de materiais com- postos, principalmente de fibra de carbono, prevalecem às estruturas metáli- cas.
As máquinas de encintamento automático de fibra de carbono representam um grande avanço com relação à operação manual. Estas má- quinas dispõem de um cabeçote que é pressionado sobre a superfície a ser encintada, por meio do que esta superfície deve poder reagir frente à dita força.
As estruturas de material composto para fuselagens aeronáuti- cas são formadas por painéis que, por sua vez, compreendem uma série de reforçadores. Desse modo, a aplicação dos aspectos anteriores nas fusela- gens aeronáuticas faz com que sejam integrados painéis que moldam as fuselagens junto com seus reforçadores em um menor número de opera- ções, ao mesmo tempo em que são aperfeiçoados os ditos reforçadores. É cada vez mais freqüente o uso de reforçadores de seção fe-
chada, já que estes reforçadores permitem obter estruturas mais rígidas com um menor peso por reforçador. Contudo, a incorporação deste tipo de refor- çador complica o processo de fabricação das estruturas de material compos- to, já que são necessárias ferramentas internas para os ditos reforçadores que permitem o encintamento da peça e a operação de cura do material composto, ao mesmo tempo em que se pode extrair estas ferramentas do interior dos reforçadores, se estes forem ocos. São conhecidos processos para a fabricação destas estruturas, nos quais um elemento rígido é introduzido no interior da seção do reforça- dor para reagir à pressão de encintamento e à pressão de cura do material composto. Não obstante, estes processos têm um alto custo; por isso, há necessidade de processos mais eficientes, objetivo que é atingido com a presente invenção. Sumário da Invenção
Em um primeiro aspecto, a presente invenção propõe um proce- dimento para a fabricação de estruturas reforçadas a partir de materiais
compostos formados por um revestimento externo e por uma pluralidade de reforçadores, cuja seção transversal apresenta um contorno rompido com pelo menos uma aba unida ao revestimento, uma abertura interna definindo o dito contorno, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes eta- pas:
- prover uma ferramenta de moldagem com uma superfície ex-
terna de forma similar à da estrutura pelo lado dos reforçadores, incluindo rebaixos para alojar os reforçadores;
- prover ferramentas macho auxiliares que consistem em ele- mentos de um material suscetível de manter sua seção ao ser aplicada uma
sobrepressão no interior das cavidades cilíndricas existentes nas mesmas e suscetível de reduzir sua seção ao ser aplicada uma sobpressão nestas ca- vidades, estas ferramentas macho auxiliares sendo fabricadas com uma ge- ometria externa similar à abertura interna dos reforçadores e recobertas por membranas adequadas para a cura de materiais compostos;
- prover os reforçadores em estado fresco ou curado;
- dispor os reforçadores nos rebaixos da ferramenta, adaptando- os à geometria destes, e dispor, em suas aberturas internas, as ferramentas macho auxiliares adaptadas à sua geometria, ajudando, nesta etapa, as fer- ramentas macho auxiliares para a membrana de cura a se adaptarem à ge-
ometria interna de cada reforçador;
- laminar o revestimento externo sobre a superfície formada pela ferramenta, pelos reforçadores e pelas ferramentas macho auxiliares, rea- gindo a ferramenta de moldagem e as ferramentas macho auxiliares, graças à sobrepressão aplicada no interior das cavidades cilíndricas internas, frente à força do laminado;
- curar a estrutura reforçada em alta temperatura e pressão;
- extrair as ferramentas macho auxiliares, depois da cura, com a
redução da seção das mesmas graças à sobpressão aplicada no interior das cavidades cilíndricas internas; e
- separar a estrutura reforçada curada da ferramenta.
Em um segundo aspecto, a presente invenção prove ferramen- tas macho auxiliares utilizadas em procedimentos anteriores, realizadas em materiais elastoméricos e/ou flexíveis. Estas ferramentas macho apresentam cavidades cilíndricas de seção circular ou ligeiramente elíptica ou ovalada ao longo de seu comprimento, sendo, por sua vez, estas cavidades reforçadas internamente com materiais (fibra de vidro, náilon, etc.) que impedem o au- mento do perímetro da seção da cavidade com a aplicação de uma sobre- pressão interna, ao mesmo tempo em que são suficientemente flexíveis, de tal modo que, com a aplicação de uma sobpressão, permitam o rompimento destas cavidades, reduzindo assim a seção da ferramenta macho e permi- tindo, desse modo, sua posterior extração do interior dos reforçadores. Se as cavidades internas apresentassem uma seção alargada, com a aplicação de uma sobrepressão interna, elas seriam deformadas, adquirindo então uma seção mais circular, deformando também a seção externa do macho.
Uma vantagem da presente invenção é a de facilitar a fabricação de estruturas nas quais a seção e a área dos reforçadores variam Iongitudi- nalmente, podendo estes reforçadores apresentar, inclusive, em uma ou nas duas extremidades, dimensões menores que uma seção intermediária, já que as ferramentas macho auxiliares podem ser moldadas de maneira a se adaptarem a isto.
Outra vantagem da presente invenção é a de facilitar o emprego de máquinas com cabeçote de encintamento de pressão, já que as ferra- mentas macho auxiliares proporcionam um substrato no interior dos reforça- dores para reagir frente à força do cabeçote. Outras características e vantagens da presente invenção ficarão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada de uma realização ilustra- tiva de seu objetivo em relação às figuras anexas. Descrição das Figuras As Figuras 1a, 1b e 1c mostram vistas esquemáticas de estrutu-
ras de material composto para fuselagens aeronáuticas formadas por um revestimento e por uma pluralidade de reforçadores na forma de ômega, tra- pézio e Z irregular, respectivamente.
A Figura 2 mostra esquematicamente as etapas do procedimen- to, de acordo com a invenção, para a fabricação de uma estrutura de materi- al composto para fuselagens aeronáuticas formada por um revestimento e por uma pluralidade de reforçadores na forma de ômega.
A Figura 3 mostra esquematicamente a etapa do procedimento, de acordo com a invenção, para a fabricação de uma estrutura de material composto para fuselagens aeronáuticas formada por um revestimento e por uma pluralidade de reforçadores na forma de ômega mediante a qual é reali- zado o processo de encintamento do revestimento.
A Figura 4 mostra esquematicamente a seção da ferramenta empregada no procedimento, de acordo com a invenção, para a fabricação de uma estrutura de material composto para fuselagens aeronáuticas.
A Figura 5 mostra esquematicamente a etapa do procedimento, de acordo com a invenção, para a fabricação de uma estrutura de material composto para fuselagens aeronáuticas formada por um revestimento e por uma pluralidade de reforçadores na forma de ômega mediante a qual é exe- cutado o processo de cura.
A Figura 6 mostra esquematicamente as etapas do procedimen- to, de acordo com a invenção, para a fabricação de uma estrutura de materi- al composto para fuselagens aeronáuticas formada por um revestimento e por uma pluralidade de reforçadores na forma de ômega mediante a qual é separada a estrutura da ferramenta empregada para sua fabricação. Descrição Detalhada da Invenção
É descrita, a seguir, uma realização do procedimento, de acordo com a invenção, para fabricar estruturas reforçadas 1 a partir de materiais compostos formadas por um revestimento 2 e por uma pluralidade de refor- çadores 3 na forma de ômega (Ω) com abas 4 unidas ao revestimento 2, e almas 5 e cabeça 7 separadas do mesmo.
O procedimento, objeto da presente invenção, também é aplicá-
vel para a fabricação de uma estrutura reforçada 11 formada por um reves- timento 12 e por uma pluralidade de reforçadores 13 na forma de trapézio com abas 14 unidas ao revestimento 12, e almas 15 e cabeça 17 separadas do mesmo, assim como da estrutura reforçada 21 formada por um revesti- mento 22 e por uma pluralidade de reforçadores 23 na forma de Z irregular com uma aba 24 unida ao revestimento 22, e almas 25 e cabeça 27 separa- das do mesmo.
Os reforçadores 3, 13, 23 apresentam em comum uma seção transversal que tem um contorno rompido com pelo menos uma aba 4, 14, 24 unida ao revestimento 2, 12, 22 definindo o dito contorno um abertura interno 6, 16, 26.
As estruturas 1, 11, 21 podem ter a forma aberta ou a forma de peças de revolução, como acontece no caso de peças de fuselagem de um avião.
No procedimento, de acordo com a invenção, para a fabricação
de uma estrutura de material composto para fuselagens aeronáuticas forma- da por um revestimento e por uma pluralidade de reforçadores, de acordo com que é mostrado na Figura 2, sobre a ferramenta de moldagem 34 que apresenta rebaixos 35 são situados reforçadores na forma de ômega 3 e, sobre estes, ferramentas macho auxiliares 36 recobertas por uma membrana 37 adequada para a cura de materiais compostos.
Podem ser utilizados reforçadores 3 curados ou sem cura.
As ferramentas macho auxiliares 36 são fabricadas com um ma- terial elastomérico e/ou flexível, por exemplo, silicone, caucho, etc., com ca- vidades cilíndricas de seção circular ou ligeiramente elípticas ou ovaladas ao longo de seu comprimento, reforçadas com um material, tecido ou filamentos que impedem, em maior ou menor medida, o aumento do perímetro da cavi- dade com a aplicação de uma sobrepressão interna, mas que permitem o rompimento destas cavidades com a aplicação de uma sobpressão, de for- ma que seja reduzida a seção do macho, permitindo assim a sua extração dos reforçadores 3. Estas ferramentas macho auxiliares são realizadas com uma geometria externa similar à abertura interna 6 do reforçador com a utili- zação de uma técnica de fabricação apropriada.
Com a introdução de cada ferramenta macho auxiliar 36 na a- bertura 6 do reforçador 3, a membrana de cura 37 poder ser adaptada à ge- ometria interna de cada reforçador 3. Os reforçadores 3 e as ferramentas macho 36 podem ser dis-
postos na ferramenta de moldagem 34, tendo sido previamente adaptados.
Na Figura 3, é observado que, em uma etapa subsequente, o revestimento 2 é laminado mediante o cabeçote 38 de uma máquina de en- cintamento sobre a superfície formada pela ferramenta de moldagem 34, pelos reforçadores 3 e pela membrana 37 que cobre as ferramentas macho auxiliares 36. Nesta etapa, a ferramenta de moldagem 34 e as ferramentas macho auxiliares 36 reagem à força do cabeçote 38 de encintamento.
Na Figura 4, é observada a seção das ferramentas macho auxi- liares 36 fabricadas com um material elastomérico 31, que reagem frente à força do cabeçote de encintamento 38 graças à sobrepressão que é aplicada no interior das cavidades internas 32 das mesmas. Com a aplicação de pressão nestas cavidades quase inextensíveis graças ao reforço 33 que têm, é conseguido assim um efeito similar àquele que seria conseguido com a introdução, por meio das ditas cavidades, de barras rígidas (de aço, alumí- nio, etc.) da mesma seção que as cavidades.
Uma variante do procedimento é a realização manual do encin- tamento do revestimento 2.
Na Figura 5, é observado que, em uma etapa subsequente, são colocados uma membrana 39 de cura sobre o conjunto da estrutura e, op- cionalmente, um piso 40. Depois disso, a estrutura é curada em condições de alta temperatura e pressão em autoclave. Durante o processo de cura, a membrana 37 que recobre as ferramentas macho auxiliares 36 faz a comu- nicação do interior dos reforçadores 3 com a atmosfera do interior do auto- clave, conseguindo manter assim pressionado o material composto que a circunda, isto é, aquele do reforçador 3 e do laminado 2, ocasionando a cu- ra.
Uma vez curada e resfriada a estrutura 1, as ferramentas macho
auxiliares 36 são retiradas graças à redução da seção 41 que é produzida com a aplicação de uma sobpressão nas cavidades cilíndricas internas, faci- litando assim a separação da estrutura 1 da ferramenta de moldagem 34 e a extração das ferramentas macho auxiliares 36 do interior dos reforçadores 3, como é ilustrado na Figura 6, com representação em um tamanho menor no início.
Na realização preferida descrita acima podem ser introduzidas modificações compreendidas dentro do alcance definido pelas seguintes rei- vindicações.
Claims (14)
1. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos, as ditas estruturas (1) compreendendo um revestimento externo (2) e uma pluralidade de reforçadores (3) cuja seção transversal apresenta um contorno que é definido por uma abertura interna (6), caracterizado pelo fato de o procedimento compreender as seguintes etapas: a) prover uma ferramenta (34) com uma superfície externa de forma similar à da estrutura (1) pelo lado dos reforçadores (3), incluindo re- baixos (35) para alojar os reforçadores (3); b) prover ferramentas macho auxiliares (36) que consistem de cavidades internas (32), sendo estas ferramentas (36) capazes de manterem sua seção durante a laminação do revestimento (2) com a aplicação de uma sobrepressão no interior das cavidades (32), ao mesmo tempo em que a estrutura de cavidades internas (32) deve permitir o rompimento das mes- mas com a aplicação de uma sobpressão em seu interior, de forma que re- duza a seção (41) das ferramentas macho (36), permitindo assim a sua ex- tração dos reforçadores (3), estas ferramentas macho (36) sendo moldadas com uma geometria similar à abertura interna (6) dos reforçadores (3) e sen- do recobertas por membranas adequadas para cura de materiais compostos; c) prover os reforçadores (3) em estado fresco ou curado; d) dispor os reforçadores (3) nos rebaixos (35) da ferramenta (34), adaptando-os à geometria dos mesmos, e dispor, em suas aberturas internas (6) dos reforçadores (3) as ferramentas macho auxiliares (36) adap- tadas à sua geometria; e) laminar o revestimento externo (2) sobre a superfície formada pela ferramenta (34), pelos reforçadores (3) e pelas ferramentas macho auxi- liares (36), aplicando neste momento a sobrepressão necessária para man- ter sua seção; f) curar a estrutura reforçada (1) em condições de alta tempera- tura e pressão; g) extrair as ferramentas macho auxiliares (36), aplicando previ- amente a sobpressão necessária para reduzir sua seção (41); h) separar a estrutura reforçada (1) curada da ferramenta (34).
2. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos, de acordo com a reivindicação 1, caracteriza- do pelo fato de as ferramentas macho auxiliares (36) compreenderem ele- mentos de um material elastomérico (31).
3. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) em materiais compostos, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as cavidades (32) das ferramentas macho auxiliares (36) serem reforçadas ao longo de seu comprimento com um material, tecido ou filamento (33) que impede o aumento do perímetro das cavidades (32) com a aplicação de uma sobrepressão interna, com a finalidade de suportar a pressão do cabeçote de encintamento.
4. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções anteriores, caracterizado pelo fato de as cavidades (32) das ferramen- tas macho auxiliares (36) serem cilíndricas, de seção circular, elíptica ou o- valadas.
5. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções anteriores, caracterizado pelo fato de a estrutura reforçada (1) ser uma peça de revolução.
6. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções anteriores, caracterizado pelo fato de os reforçadores (3) apresentarem a forma de ômega.
7. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções anteriores, caracterizado pelo fato de, na etapa d), os reforçadores (3) serem dispostos nos rebaixos (35) da ferramenta (34), tendo sido adaptadas previamente em suas aberturas internas (6) as ferramentas macho auxiliares (36).
8. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções anteriores, caracterizado pelo fato de a etapa e) ser executada median- te um cabeçote (38) de uma máquina de encintamento.
9. Procedimento para a fabricação de estruturas reforçadas (1) a partir de materiais compostos, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções anteriores, caracterizado pelo fato de, na etapa f), ser colocado um piso (40) sobre o revestimento (2).
10. Ferramenta macho auxiliar (36) utilizada em um procedimen- to para a fabricação de estruturas reforçadas (10), como definido em qual- quer uma das reivindicações 1-9, caracterizada pelo fato de ser realizada com um composto elastomérico.
11. Ferramenta macho auxiliar (36), de acordo com a reivindica- ção 10, caracterizada pelo fato de o composto elastomérico ser flexível.
12. Ferramenta macho auxiliar (36), de acordo com qualquer uma das reivindicações 10-11, caracterizada pelo fato de ser realizada com um composto de base de silicone.
13. Ferramenta macho auxiliar (36), de acordo com qualquer uma das reivindicações 10-12, caracterizada pelo fato de compreender uma pluralidade de cavidades (32) ao longo de seu comprimento.
14. Ferramenta macho auxiliar (36), de acordo com qualquer uma das reivindicações 10-13, caracterizada pelo fato de as cavidades (32) serem cilíndricas (32), de seção circular, elíptica ou ovalada.
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