BR102019016511A2

BR102019016511A2 - Método para fabricação de um conector de compósito, conector de compósito, e, sistema de conexão.

Info

Publication number: BR102019016511A2
Application number: BR102019016511-1A
Authority: BR
Inventors: Ioannis GIANNAKOPOULOS; Will Pollitt; James Bernard; Alexander D. Taylor; Daniel O. Ursenbach
Original assignee: Crompton Technology Group Limited
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2020-03-10
Also published as: US20200049296A1; BR102019016511B1; EP3608094A1; CA3051755A1; EP3608094B1

Abstract

um método de fabricação de um conector de compósito (102) (por exemplo, polímero reforçado com fibra) compreende: fabricação de uma porção de cubo tubular (106) que se estende substancialmente paralela a um eixo central c, a porção de cubo (106) compreendendo um polímero termoplástico reforçado com um reforço de fibra orientado circunferencialmente (110); colocação da porção de cubo (106) em um molde com pelo menos uma cavidade; introdução do polímero no molde de modo a preencher a pelo menos uma cavidade para formar uma porção de flange (108) em torno da porção de cubo (106).

Description

MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE UM CONECTOR DE COMPÓSITO, CONECTOR DE COMPÓSITO, E, SISTEMA DE CONEXÃO CAMPO DA TÉCNICA

[001] A presente divulgação refere-se a conectores de compósitos (por exemplo, polímero de fibra reforçada), por exemplo, para conectar dutos de transferência de fluido a outras estruturas, e para métodos de fabricação dos conectores de compósitos (por exemplo, polímero de fibra reforçada) para dutos de transferência de fluido.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Os dutos de transferência de fluido (por exemplo, tubos de combustível) são normalmente conectados a outras estruturas fixas (por exemplo, dentro de asas de avião) usando um ou mais conectores. Para permitir o movimento da estrutura fixa sem induzir grandes tensões no próprio duto de transferência de fluido (por exemplo, conforme uma asa flexiona durante o voo), tais conectores são projetados para tolerar uma pequena quantidade de movimento relativo entre o duto de transferência de fluido e a estrutura, enquanto dá suporte efetivo para o duto e veda a conexão. Isto é frequentemente alcançado usando um anel de vedação em O (O-ring) elastomérico, no qual o duto de transferência de fluido “flutua”, para vedar a conexão enquanto permite uma pequena quantidade de movimento relativo. [003] Em muitas aplicações, tais conectores são necessários para suportar grandes cargas circunferenciais (por exemplo, devido a altas pressões internas em um duto de transferência de fluido), bem como outras tensões. Para fornecer a resistência necessária ao mesmo tempo que minimiza a contagem de peças, conectores são convencionalmente usinados a partir de um único bloco de metal (geralmente de alumínio). Entretanto, este processo resulta em uma grande quantidade de materiais sendo desperdiçada (relação buy-to-fly).

[004] Além disso, os dutos de transferência de fluidos são cada vez mais construídos a partir de materiais compósitos (por exemplo, polímeros reforçados com fibra), para economizar peso e reduzir os custos materiais. No entanto, quando usados com conectores metálicos, os dutos de compósitos para transferência de fluidos podem apresentar vários problemas, tais como corrosão galvânica e uma janela de operação de temperatura reduzida devido à expansão térmica desigual.

[005] Mais recentemente, portanto, uma técnica de fabricação alternativa foi desenvolvida, através da qual os conectores de compósitos são produzidos por moldagem por injeção de uma matriz termoplástica reforçada com fibras cortadas orientadas aleatoriamente (por exemplo, fibras de carbono/vidro/aramida). Como a moldagem por injeção é um processo aditivo, ela resulta em menos material desperdiçado durante a fabricação do que as técnicas convencionais de usinagem de metais. Além disso, as peças de compósito reforçadas com fibra picada são tipicamente mais leves que seus equivalentes de metal. No entanto, o reforço de fibra picada não explora totalmente a resistência potencial das fibras de reforço.

SUMÁRIO

[006] De acordo com um aspecto da presente divulgação, é proporcionado um conector de compósito (por exemplo, polímero reforçado com fibra) para um duto de transferência de fluido, compreendendo: uma porção de cubo compreendendo um tubo que se estende substancialmente paralelo a um eixo central; e uma porção de flange que se estende a partir da porção de cubo em um ângulo em relação ao eixo central; em que a porção de cubo compreende um polímero termoplástico reforçado com reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente; e em que a porção de flange compreende um polímero que é moldado na porção de cubo.

[007] Como a porção de flange é sobremoldada na porção de cubo, a forma moldada da porção de flange pode ser facilmente ajustada independentemente de como a porção de cubo é formada.

[008] Devido à alta razão resistência-peso do polímero com reforço de fibra contínuo, o uso de reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente na porção de cubo pode produzir uma peça significativamente mais resistente usando a mesma quantidade de material em comparação ao reforço de fibra orientado aleatoriamente ou peças totalmente metálicas. Correspondentemente, uma peça igualmente resistente pode ser produzida usando menos material, economizando peso.

[009] O conector de acordo com a presente divulgação pode ser produzido usando processos aditivos. Isto significa que há pouco material desperdiçado durante a fabricação, especialmente em comparação com as técnicas de usinagem usadas para construir componentes metálicos convencionais. Como resultado, o custo de fabricação de um conector de compósito de acordo com a presente divulgação pode ser menor do que para um componente metálico equivalente, mesmo se os custos do material subjacente forem maiores (devido ao menor desperdício de material).

[0010] Quando o reforço de fibra contínuo é usado para fazer um determinado componente, a orientação das fibras contínuas pode ser adaptada à direção na qual o componente resultante terá cargas. Muitas fibras podem ser orientadas em uma direção primária de carregamento e uma proporção menor de fibras pode, portanto, ser orientada em direções nas quais o componente experiencia pouca carga. Isto minimiza a quantidade de material desperdiçado ao produzir uma peça com uma determinada capacidade de carga.

[0011] Neste caso, a fibra circunferencial contínua na porção de cubo fornece uma maior resistência de aro (circunferencial), melhorando a resistência do conector a altas cargas de aro (por exemplo, devido ao fluido de alta pressão dentro de um duto de transferência de fluido conectado à porção de cubo).

[0012] Ao usar o reforço de fibra randomicamente orientado, nenhuma costura pode ser realizada e tal quantidade de materiais necessária para fornecer a resistência de carga necessária é aumentada. Além disso, mesmo quando orientadas na direção do carregamento, as fibras cortadas apresentam inerentemente uma resistência à tração muito menor do que a quantidade equivalente de fibras contínuas. A US 2016/0273696 descreve um exemplo de uma peça composta moldada por injeção a partir de uma matriz termoplástica reforçada por fibras cortadas.

[0013] Conforme mencionado acima, o conector de compósito da presente divulgação pode ser produzido usando menos material/ou material menos denso do que os conectores de metal convencionais, reduzindo o peso do componente. Em muitas aplicações, como na indústria aeroespacial, qualquer economia de peso é altamente vantajosa, pois pode levar a uma economia significativa de combustível (e, portanto, de custo) ao longo da vida útil de uma peça.

[0014] Além da economia de peso fornecida pela presente divulgação, o uso de reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente dentro da porção de cubo do conector confere outros benefícios. O reforço de fibra circunferencial contínuo endurece a porção de cubo e aumenta sua resistência de aro (ou seja, resistência a pressões internas e externas). Quando o fluido em alta pressão é passado através do duto de transferência de fluido, essa rigidez e resistência atenuam a expansão de aro do conector de compósito quando sujeita a pressões internas, garantindo que uma boa conexão e vedação sejam mantidas em todos os momentos.

[0015] Reforço de fibra "contínuo" é usado neste documento para se referir ao reforço de fibra no qual pelo menos alguns filamentos constituintes individuais têm um comprimento substancial, ou seja, eles não são "fibras cortadas" ou fibras descontinuadas. Em pelo menos alguns exemplos, o reforço de fibra pode ser considerado "contínuo" quando as fibras ou filamentos têm um comprimento na mesma escala que a peça que eles estão reforçando. Isso significa que o reforço de fibra é substancialmente “contínuo” quando se estende ininterruptamente através de uma determinada dimensão de uma peça, como comprimento, raio ou circunferência.

[0016] O reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente na porção de cubo compreende preferencialmente pelo menos alguns filamentos constituintes individuais que se estendem inteiramente ao redor da circunferência da porção de cubo, por exemplo pelo menos 360° ao redor do eixo central e ainda mais preferencialmente dão várias voltas completas sobre a porção de cubo na porção de cubo.

[0017] A resistência dos polímeros reforçados com fibras reside na resistência à tração das fibras de reforço e, como tal, um comprimento ininterrupto de fibras contínuas em torno da porção de cubo fornece uma melhoria significativa na resistência de aro e, portanto, resistência à pressão em comparação com a mesma quantidade de fibras cortadas, mesmo que todas as fibras cortadas fossem alinhadas na direção de carregamento.

[0018] Como mencionado acima, um anel de vedação O-ring elastomérico pode ser usado para vedar uma conexão entre o conector e um duto de transferência de fluido. Em tais casos, o anel de vedação O-ring pode ser posicionado entre uma superfície externa do duto de transferência de fluido e uma superfície interna da porção de cubo (ou, inversamente, entre uma superfície interna do duto e uma superfície externa da porção de cubo), para vedar a conexão. Opcionalmente, o anel de vedação O-ring elastomérico é assentado entre um par de cristas de retenção que permitem o movimento axial entre o duto de transferência de fluido e a porção de cubo. A porção de cubo forte e rígida mantém o anel de vedação O-ring firmemente pressionado radialmente entre a superfície interna da porção de cubo e a superfície externa do duto de transferência de fluido, garantindo a integridade da vedação.

[0019] Além dos benefícios de resistência, o uso de reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente na porção de cubo também permite que o coeficiente de expansão térmica (ou seja, o CET do "aro") da porção de cubo seja estreitamente ajustado ao de um duto de transferência de fluido ao qual ele pode ser conectado.

[0020] Os dutos de transferência de fluido para os quais o conector da presente divulgação é particularmente adequado são peças de compósitos fabricadas a partir de polímeros reforçados com fibras compreendendo uma alta proporção de fibras orientadas circunferencialmente. Isto maximiza a resistência do aro e, portanto, a tolerância da pressão interna do duto, algo que é particularmente importante em sistemas de alta pressão, como tubos de combustível, minimizando o peso. Devido à elevada proporção de fibra circunferencial em tais dutos de compósitos, quando o duto de transferência de fluido está sujeito a uma alteração na temperatura (por exemplo devido a alterações das condições ambientais), a expansão radial é dominada pela expansão do reforço de fibra. As fibras usadas como reforço em tais materiais têm tipicamente um CET muito baixo em comparação com a matriz polimérica. Por exemplo, as fibras de vidro têm um CET em torno de 1,6 - 2,9 x 10-6 K-1 e as fibras de carbono têm um CET que é muito próximo a zero (e pode até ser negativo, por exemplo, aproximadamente -0,5 x 10-6 K-1), enquanto uma resina de polímero típica tem um CET de ~ 50 x 10-6 K-1 (para comparação, o alumínio tem um CET de ~ 23 x 10-6 K-1). Como resultado, a expansão térmica do aro de um duto de polímero reforçado com fibras com fibra circunferencial contínua é geralmente baixa.

[0021] Os compósitos reforçados com fibras cortadas, moldados por injeção e orientados randomicamente, em comparação, têm um CET que é dominado pelo CET da matriz de resina - isto é, muito mais alto do que o dos dutos de polímero reforçado por fibra (PRF) descritos acima. Os conectores de metal também sofrem expansão térmica relativamente alta.

[0022] Os conectores convencionais, portanto, quando usados com dutos de polímero reforçados com fibras, podem apenas ser usados dentro de um envelope operando a uma baixa temperatura. A expansão diferencial do conector e do duto quando submetida a temperaturas fora deste envelope pode arriscar a integridade da vedação e/ou toda a conexão. Ou o requisito para acomodar tais variações de temperatura e diferentes CETs coloca restrições de concepção em outros elementos, tal como o anel de vedação O-ring. Um problema semelhante surge quando um conector tem uma rigidez diferente da de um duto.

[0023] Entretanto, conforme mencionado acima, devido à porção de cubo em exemplos na presente divulgação compreender reforço de fibra circunferencialmente orientado contínuo, seu CET de aro (e sua rigidez) pode ser mais aproximadamente compatível com o de um determinado duto de transferência de fluido. A correspondência de CET permite que a expansão relativa (do conector em relação ao duto) durante o uso seja minimizada em uma faixa mais ampla de temperaturas, aumentando a aplicabilidade e a confiabilidade da peça. Em alguns exemplos, portanto, a composição e orientação do reforço de fibra dentro da porção de cubo são selecionadas de modo que o CET de aro da porção de cubo coincida com o de um duto de transferência de fluido, formado a partir de polímero reforçado com fibra (PRF), que está conectado à porção de cubo em uso. Adicional ou alternativamente, a composição e orientação do reforço de fibra dentro da porção de cubo são selecionadas de modo que a rigidez da porção de cubo seja substancialmente compatível com a do duto de transferência de fluido. [0024] A porção de cubo é preferencialmente disposta para ser encaixada sobre ou dentro de um duto de transferência de fluido, por exemplo, concêntrica com o mesmo, com um acessório de duto sobre um diâmetro externo da porção de cubo ou dentro de um diâmetro interno da porção de cubo. A porção de flange é preferencialmente disposta para anexar-se a uma estrutura adicional e pode compreender um ou mais pontos de anexação na mesma.

[0025] É ainda divulgado um sistema de conexão compreendendo um conector de compósito como divulgado neste documento e um duto de transferência de fluido reforçado por fibra conectado à porção de cubo, em que a composição e orientação do reforço de fibra dentro da porção de cubo é selecionada de modo que o CET da porção de cubo combina substancialmente com o do duto de transferência de fluido. Adicional ou alternativamente, a composição e orientação do reforço de fibra dentro da porção de cubo são selecionadas de modo que a rigidez da porção de cubo seja substancialmente compatível com a do duto de transferência de fluido.

[0026] Em um ou mais exemplos, tal combinação pode ser alcançada pela combinação da composição e do ângulo do reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente dentro da porção de cubo para a composição e ângulo da fibra de reforço orientada circunferencialmente dentro do duto de PRF. A fibra contínua orientada circunferencialmente na porção de cubo pode, portanto, ter substancialmente o mesmo ângulo de fibra que a fibra contínua orientada circunferencialmente no duto. Em alguns exemplos, estes ângulos de fibra podem diferir em não mais que 15°, não mais do que 10° e preferencialmente não mais do que 5°.

[0027] Na porção de cubo, a fibra contínua orientada circunferencialmente (aro) faz tipicamente um ângulo de mais de 60° em relação ao eixo central. Em exemplos preferidos, o reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente se estende em um ângulo superior a 80° em relação ao eixo central, por exemplo, pelo menos 85° ou mesmo a 90° ou próximo disso. Um ângulo alto maximiza a resistência do aro fornecida pelo reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente.

[0028] A porção de cubo pode não compreender unicamente reforço de fibra circunferencial contínuo. A porção de cubo pode compreender reforço de fibra adicional orientado em uma variedade de ângulos. Em alguns exemplos, a porção de cubo compreende adicionalmente reforço de fibra (isto é, reforço de fibra que é orientado substancialmente paralelo ao eixo central, por exemplo próximo de 0°), que pode aumentar a resistência da porção de cubo a cargas de flexão. Adicionalmente ou alternativamente, a porção de cubo pode compreender um reforço de fibra orientado a aproximadamente 45° em relação ao eixo central (isto é, a meio caminho entre as direções axial e circunferencial). Isto pode ajudar na correspondência do CET e/ou pode ajudar na detecção de danos por impacto pouco visíveis (barely-visible impact damage, BVID) na porção de cubo.

[0029] A porção de cubo compreende, preferencialmente, uma tubulação com uma seção transversal substancialmente circular (isto é, a porção de cubo compreende um cilindro). Uma seção transversal circular maximiza a resistência de aro da porção de cubo e pode ser mais fácil de fabricar. Em alguns exemplos, no entanto, a tubulação pode ter uma seção transversal retangular, outra poligonal ou elíptica, entre outros formatos possíveis. Preferencialmente, a porção de cubo tem uma seção transversal que é compatível com a de um duto de transferência de fluido à qual é adequada para conexão. Em um sistema de conexão, conforme divulgado neste documento, a porção de cubo pode ter substancialmente a mesma seção transversal que o duto de transferência de fluido.

[0030] A porção de cubo pode compreender ainda, pelo menos, um recurso de chaveamento que fornece uma conexão mecânica entre a porção de cubo e a porção de flange. O recurso de chaveamento pode se estender axial e/ou circunferencialmente em relação ao eixo central, ou seja, em qualquer ângulo adequado de 0° a 90°. O recurso de chaveamento pode compreender qualquer recurso adequado para fornecer uma conexão mecânica, por exemplo, uma cauda de andorinha, uma ranhura ou uma chaveta. O recurso de chaveamento pode aumentar a resistência da junta entre a porção de cubo e a porção de flange.

[0031 ] A porção de flange pode compreender pelo menos um orifício de passagem que pode ser usado juntamente com um meio de fixação adequado (por exemplo, uma porca e parafuso) para prender o conector a uma estrutura. O orifício de passagem pode ser formado pela perfuração de um conector completo. Alternativamente, o pelo menos um orifício de passagem pode ser formado ao mesmo tempo que o resto da porção de flange, como é explicado em maiores detalhes abaixo.

[0032] O ângulo em relação ao eixo central no qual a porção de flange se estende é preferencialmente superior a 45° e a porção de flange é mais preferencialmente substancialmente perpendicular ao eixo central da porção de cubo, ou seja, a 90°, para permitir a fixação segura a uma superfície normal ao eixo central. Em alguns exemplos, a porção de flange inteira pode não se estender no mesmo ângulo em relação ao eixo central, mas pode ser moldada para acomodar o formato de uma estrutura em particular.

[0033] Será apreciado que a porção de flange compreende um polímero que pode ser o mesmo ou pode ser diferente do polímero termoplástico da porção de cubo. Em alguns exemplos, o polímero compreendido pela porção de flange pode ser, preferencialmente, um polímero termofixo, tal como uma resina de poliéster, epóxi ou fenólica. Em outros exemplos, o polímero compreendido pela porção de flange é preferivelmente um polímero termoplástico, tal como poliéterétercetonacetona (PEEK), poliéter-cetona (PEK) ou outra parte polimérica da família de poliariletercetona (PEKK).

[0034] O uso de polímero termoplástico tanto na porção do cubo como na porção de flange pode reforçar a junção entre a porção do cubo e a porção de flange (e assim a resistência do conector), pois durante o processo de moldagem as resinas termoplásticas das porções de flange e cubo podem se misturar para formar uma matriz polimérica contígua que é executada da porção de cubo para a porção de flange. Preferencialmente, o termoplástico da porção de flange é o mesmo polímero termoplástico da porção de cubo, por exemplo, PEEK. O polímero termoplástico pode ser escolhido para fornecer ao conector as desejáveis propriedades químicas e/ou resistência à temperatura.

[0035] O conector pode compreender uma ou mais estruturas de reforço ou endurecimento que se estendem entre a porção de flange e a porção de cubo. Por exemplo, o conector pode compreender uma ou mais nervuras dispostas para reforçar a união entre a porção de cubo e a porção de flange. Nos exemplos em que a porção de flange compreende um polímero termoplástico, a integridade das estruturas de reforço ou endurecimento pode ser assegurada por auto adesão suficiente. Alternativamente, as estruturas de reforço ou endurecimento podem ser fundidas ou soldadas no local (por exemplo, usando soldagem por resistência, ultrassônica ou por indução). [0036] O Depositante observa que, na utilização típica de um conector de duto de transferência de fluido, o fluido com alta pressão pode ser transportado por um duto ao qual o conector está conectado, contribuindo para grandes forças radiais na porção de cubo do conector. No entanto, como a porção de flange não estaria normalmente exposta diretamente a estas pressões, as forças sentidas pela porção de flange são tipicamente muito mais baixas. Desta forma, os requisitos de resistência para a porção de flange podem ser inferiores aos da porção de cubo. Em alguns exemplos, portanto, é aceitável que a porção de flange compreenda pouco ou nenhum reforço de fibra (ou seja, consistir em polímero não reforçado). Isso pode reduzir a complexidade de fabricação e reduzir o custo da peça resultante.

[0037] Nos exemplos em que a porção de flange consiste em polímero não reforçado, podem existir quantidades insignificantes de reforço de fibra presentes. Por exemplo, uma quantidade trivial de reforço de fibra que se espalhou involuntariamente da porção do cubo durante a fabricação do conector de compósito. Além do reforço de fibra não intencionalmente incluído, o polímero da porção de flange pode opcionalmente incluir um ou mais aditivos de material não fibroso. Por exemplo, o polímero não reforçado pode incluir pequenas quantidades de um ou mais aditivos de material não fibroso destinados a alterar uma ou mais propriedades não estruturais do polímero, tais como viscosidade, condutividade térmica ou elétrica, sensibilidade à radiação, cor, fogo ou resistência química etc.

[0038] Por exemplo, em sistemas de combustível de aeronaves, é importante controlar a condutividade do conector de compósito. Idealmente, o sistema de combustível (isto é, incluindo um ou mais tubos e um ou mais conectores) é suficientemente isolante para evitar tornar-se o trajeto preferido para a condução de iluminação, enquanto condutivo o suficiente para evitar o acúmulo de estática devido ao fluxo de combustível. A adição de uma quantidade específica de um aditivo condutor (por exemplo, negro de fumo, nanotubos de carbono ou grafeno) ao polímero durante a fabricação do conector permite que um nível desejado de condutividade seja alcançado. Tal aditivo está idealmente presente em todo o componente (isto é, tanto na porção de flange como na porção de cubo), embora isto não seja essencial. Por exemplo, se o reforço de fibra de carbono for usado na porção de cubo, mas a porção de flange não contém reforço de fibra de carbono (por exemplo, em exemplos onde a porção de flange compreende polímero não reforçado), um aditivo de negro de fumo somente precisa estar presente na porção de flange (uma vez que as fibras de carbono na porção do cubo já são condutivas).

[0039] Para controlar a condutividade do sistema de combustível, pode não ser necessário controlar a condutividade tanto dos tubos quanto dos conectores. Pode ser suficiente, pelo menos em alguns casos, que a condutividade de apenas alguns tubos seja controlada (por exemplo, pela adição de uma certa concentração de negro de fumo). O conector, então, simplesmente precisa incluir um nível mínimo de condutividade para que a condutividade geral desejada seja alcançada. Alternativamente, a condutividade dos conectores pode ser controlada e usada com um tubo com uma condutividade mínima.

[0040] Embora as forças experimentadas pela porção de flange sejam tipicamente menores do que aquelas experimentadas pela porção de cubo, a porção de flange ainda pode ter que resistir às cargas de flexão significativas (por exemplo, conforme uma asa flexiona durante o voo e/ou experiencia cargas de aceleração). Em alguns exemplos, a porção de flange pode compreender algum reforço de fibra cortada para aumentar sua resistência, embora não aumente significativamente a complexidade de fabricação (explicada em maior detalhe abaixo) ou o custo do componente acabado. [0041] O tipo de reforço de fibra na porção de cubo (e opcionalmente na porção de flange) pode ser escolhido com base em uma ou mais propriedades desejadas do conector de compósito acabado. Por exemplo, os conectores de compósitos que exigem força muito alta podem usar fibras de carbono, enquanto aqueles que exigem alta resistência, mas baixa condutividade, podem usar fibras de vidro. Nos exemplos que apresentam fibras cortadas na porção de flange, estas fibras podem ser de um tipo diferente das fibras contínuas na porção de cubo embora sejam, preferencialmente, as mesmas (por exemplo fibras de vidro ou carbono contínuas na porção de cubo e fibras de vidro ou carbono cortadas na porção de flange).

[0042] A presente divulgação estende-se a um método de fabricação de um conector de compósito (por exemplo, polímero reforçado com fibra) para um duto de transferência de fluido, o método compreendendo: fabricação de uma porção de cubo tubular que se estende substancialmente paralela a um eixo central, a porção de cubo compreendendo um polímero termoplástico reforçado com um reforço de fibra orientado circunferencialmente; colocação da porção de cubo em um molde com pelo menos uma cavidade; introdução do polímero no molde de modo a preencher a pelo menos uma cavidade para formar uma porção de flange em torno da porção de cubo.

[0043] Conforme discutido acima, o uso de uma etapa de moldagem para formar a porção de flange ao redor da porção de cubo significa que a forma da porção de flange pode ser facilmente ajustada independentemente do processo de fabricação usado para formar a porção de cubo.

[0044] Em alguns exemplos, o polímero introduzido no molde pode compreender um polímero termofixo, o que pode reduzir os custos do material. No entanto, em um ou mais exemplos, o polímero introduzido no molde compreende preferencialmente um polímero termoplástico, tal como poliéter-éter-cetona (PEEK), poliéter cetona-cetona (PEKK), polietercetona (PEK) ou outra parte polimérica da família da poliariletercetona (PAEK). Preferencialmente, o termoplástico introduzido no molde é o mesmo polímero termoplástico compreendido pela porção de cubo. O uso de polímero termoplástico tanto na porção do cubo como na porção de flange pode reforçar a junção entre a porção do cubo e a poção de flange (e assim a resistência do conector), pois durante o processo de moldagem as resinas termoplásticas das porções de flange e cubo podem se misturar para formar uma matriz polimérica contígua que é executada da porção de cubo para a porção de flange.

[0045] A fabricação da porção de cubo separadamente da porção de flange pode reduzir os custos de fabricação, uma vez que uma porção de cubo comum pode ser produzida em grandes quantidades e conectores com várias porções de flange (por exemplo, para diferentes aplicações) podem ser produzidos mudando apenas o molde usado quando a porção de flange for formada.

[0046] Em alguns exemplos, a fabricação da porção de cubo pode compreender uma técnica de colocação de fibra automatizada (automated fibre placement, AFP), em que fibras de reforço, pré-impregnadas com uma resina termoplástica (as chamadas fibras "pré-impregnadas", "pre-preg" em inglês) são colocadas em um mandril. A AFP permite alta precisão de posicionamento e orientação de fibra.

[0047] Alternativamente, em alguns outros exemplos, a fabricação da porção de cubo pode compreender um processo de enrolamento de fios misturados. Em tais exemplos, um fio misturado compreendendo reforço de fibra misturado com fibra de polímero termoplástico pode ser enrolado em um mandril utilizando processos convencionais de enrolamento filamentar. A porção do cubo é então aquecida para fundir o polímero termoplástico para produzir um compósito polimérico reforçado com fibra. A fita retrátil, que encolhe com o aquecimento, pode ser aplicada antes deste processo para comprimir as fibras e auxiliar a penetração do polímero termoplástico. A porção do cubo finalizada pode então ser deixada a arrefecer antes de ser colocada no molde. A etapa de fabricação da porção de cubo pode resultar em um tubo que é então cortado em uma porção de cubo tubular de comprimento desejado antes de ser colocada no molde.

[0048] A fabricação da porção de cubo pode compreender um processo de entrelaçamento, por exemplo, utilizando rebocos de compósitos termoplásticos pré-impregnados (isto é, entrelaçados de rebocos pré-impregnados) ou fios misturados. Em tais exemplos, rebocos de compósitos termoplásticos pré-impregnados ou fios misturados são trançados abaixo da sua temperatura de fusão, preferivelmente incorporando uma ou mais camadas, para formar uma porção de cubo tubular. A porção de cubo tubular pode ser consolidada independentemente antes de ser colocada no molde ou alternativamente pode ser consolidada quando no molde, ou seja, em conjunção com a etapa de formação do flange.

[0049] Esta abordagem pode permitir a criação de locais interlaminares nos quais podem ser inseridas estruturas de flange de fibra contínua a temperaturas sub-fundidas. A inserção dessas camadas de flange entre as camadas do cubo forneceria um trajeto de carga mais contínuo, se necessário, do cubo para o flange.

[0050] O método pode compreender ainda a aplicação de um vácuo ao molde para puxar a resina de polímero através do molde. Adicionalmente ou alternativamente, o material de resina de polímero pode ser introduzido sob pressão, isto é, bombeado ativamente para dentro do molde.

[0051] Ambas as técnicas podem acelerar o processo de moldagem e/ou melhorar a uniformidade do componente acabado.

[0052] O Requerente reconheceu que o método divulgado neste documento é particularmente adequado para moldagem por injeção. Assim, em um ou mais exemplos, o método compreende um processo de moldagem de injeção para formar a porção de flange em torno da porção de cubo. Isto pode ser mais adequado para uma porção de flange termoplástica. Em tais exemplos, o uso de um processo de moldagem por injeção para formar a porção de flange pode fornecer um alto grau de liberdade na concepção de flange e facilitar a adição de características de superfície, como nervuras ou marcadores, como discutido mais abaixo.

[0053] Alternativamente, o método pode compreender um processo de moldagem por transferência de resina (RTM) para formar a porção de flange em torno da porção de cubo. Isto pode ser mais adequado para uma porção de flange termofixo.

[0054] O molde pode compreender um ou mais recursos dispostos para formar os recursos correspondentes no conector finalizado. Por exemplo, o molde pode compreender pelo menos um ressalto disposto para formar pelo menos um orifício de passagem correspondente na porção de flange do conector resultante. O molde pode compreender características dispostas para formar uma ou mais características estruturais, por exemplo estruturas de reforço ou enrijecimento, no conector resultante. As estruturas de reforço ou enrijecimento, tais como nervuras de reforço, podem ser formadas para se estenderem entre a porção de flange e a porção de cubo. Adicionalmente ou alternativamente, o molde pode compreender características dispostas para formar uma ou mais características não estruturais no conector resultante, tais como marcadores de ligação ou de ligação à terra.

[0055] As fibras cortadas (por exemplo, carbono ou vidro) podem ser introduzidas com o polímero para formar um conector finalizado no qual a porção de flange compreende reforço de fibra cortada. As fibras cortadas são preferencialmente combinadas com o polímero (isto é, suspensas no polímero) antes de serem introduzidas no molde. A presente invenção refere-se a um conector de compósito que compreende uma porção de cubo e uma porção de flange. Será apreciado que um determinado conector pode compreender mais de uma porção de flange por porção de cubo, ou mais de uma porção de cubo por porção de flange. Qualquer conector de extremidade única, ou conector de múltiplas saídas pode ser incluído dentro desta divulgação.

[0056] As características de qualquer exemplo descrito neste documento podem, quando apropriado, ser aplicadas a qualquer exemplo descrito neste documento. Quando é feita referência a diferentes exemplos ou conjuntos de exemplos, deve ser entendido que estes não são necessariamente distintos, mas podem sobrepor-se.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0057] Certos exemplos da presente divulgação serão agora descritos com referência às figuras em anexo, nas quais: A Figura 1 é uma vista em seção transversal da conexão entre um conector e um duto de transferência de fluido; A Figura 2 mostra uma vista em perspectiva esquemática um conector de compósito para um duto de transferência de fluido de acordo com um exemplo da presente divulgação; A Figura 3 mostra o conector de compósito com um duto de transferência de fluido instalado no mesmo; A Figura 4 mostra uma vista em perspectiva esquemática de um conector de compósito de acordo com outro exemplo da presente divulgação; e A Figura 5 é um diagrama de fluxo detalhando várias etapas em um método de fabricação de um conector de compósito de acordo com um exemplo da presente divulgação.

[0058] A Figura 1 mostra a interface entre um conector 2 e um duto de transferência de fluido 4 que se estende em paralelo até um eixo central C. O conector 2 compreende uma porção de cubo cilíndrica 6, que também se estende em paralelo até o eixo central C e uma porção de flange 8, que se estende a partir de uma extremidade da porção de cubo 6 em uma direção perpendicular ao eixo central C. A porção de flange 8 compreende adicionalmente um orifício de passagem 10, pelo qual o conector 2 pode ser fixado a uma outra estrutura, por exemplo, uma asa de aeronave.

[0059] A porção de cubo 6 envolve uma porção de conexão 12 do duto de transferência de fluido 4. Um anel de vedação O-ring elastomérico 14 é localizado entre a porção de cubo 6 e a porção de conexão 12, retido entre uma parede interna da porção de cubo 6 e uma parede externa do duto de transferência de fluido 4. O anel de vedação O-ring 14 é confinado por duas nervuras de retenção 16 que se estendem radialmente para fora a partir da porção de conexão 10 do duto de transferência de fluido 4.

[0060] O anel de vedação O-ring 14 fornece uma vedação entre o conector 2 e o duto 4, de tal modo que o fluido pode fluir ao longo do duto 4 e para dentro do conector 2 sem vazar. Além disso, a configuração do anel de vedação O-ring 14 entre a porção de conexão 12 e a porção de cubo 6 permite que o duto de transferência de fluido 4 se mova a uma pequena distância na direção do eixo central C em relação ao conector 2 sem comprometer a vedação. Isto permite uma estrutura na qual o conector 2 está fixo para se mover ou flexionar uma pequena quantidade sem impor grandes tensões no duto 4 (como seria o caso se o conector 2 estivesse rigidamente anexado ao duto 4). Ao invés disso, o duto 4 "flutua" no anel de vedação O-ring 14, de modo que pode deslizar longitudinalmente uma pequena distância sem romper a vedação. Por exemplo, a estrutura à qual o conector 2 está ligado, pode ser uma nervura de asa de aeronave, que é projetada para mover uma pequena quantidade durante o voo, quando a asa flexiona devido à carga aerodinâmica e/ou flutuações de temperatura. O duto de transferência de fluido 4 pode compreender um tubo de combustível localizado dentro da asa, que deve, portanto, ser capaz de lidar com a flexão de asa durante o voo. [0061] A Figura 2 é uma vista em perspectiva esquemática de um conector 102 de acordo com um exemplo da presente divulgação. O conector 102 compreende uma porção de cubo cilíndrico 106 que se estende paralelamente a um eixo central C e uma porção de flange em forma de disco 108 que se estende perpendicularmente a partir de uma extremidade da porção de cubo 106.

[0062] A porção de cubo 106 compreende uma matriz polimérica termoplástica reforçada com fibra contínua enrolada no aro (circunferencial) 110. A fibra enrolada no aro 110 fornece à porção de cubo 106 uma alta resistência de aro de modo que a porção de cubo possa resistir a grandes pressões internas. Também torna a porção de cubo 106 muito rígida, de modo que as grandes pressões internas causam uma expansão insignificante do aro. A porção de flange 108 é preferencialmente moldada na porção de cubo 106 utilizando processos convencionais de moldagem por injeção. Tanto a porção de cubo 106 como a porção de flange 108 podem ser feitas de um polímero termoplástico.

[0063] O conector de compósito 102 compreende ainda várias nervuras de reforço 105, que se estendem entre o disco da porção de flange 108 e a porção de cubo 106. Isto reforça a conexão entre a porção de flange 108 e a porção de cubo 106 e fornece uma resistência aumentada às cargas de flexão ao conector 102. As nervuras de reforço 105 podem também compreender um polímero termoplástico, opcionalmente com reforço de fibra cortada.

[0064] A Figura 3 mostra uma vista em perspectiva do conector de compósito 102 em uso, conectando uma extremidade de um tubo de combustível de compósito 104 a uma nervura de asa 118 de uma aeronave. O tubo de combustível de compósito 104 se estende para dentro da porção de cubo 106 e flutua dentro de um anel de vedação O-ring (não mostrado), que também serve para vedar a conexão. O conector 102 é fixado rigidamente à nervura 118 através de quatro parafusos 120 (apenas três são visíveis nesta Figura).

[0065] Durante o voo, devido a forças aerodinâmicas e/ou expansão/contração com base na temperatura, a nervura na asa 118 (e, portanto, o conector 102) se move em relação ao tubo de combustível 104. No entanto, porque o tubo de combustível de compósito 104 flutua em um anel de vedação O-ring, o mesmo pode se deslocar em relação ao conector 102 sem comprometer a conexão.

[0066] O tubo de combustível de compósito 104 é construído a partir de polímero reforçado com fibra e compreende uma alta proporção de reforço de fibra enrolada no aro 122. Isto fornece ao tubo de combustível 104 uma alta resistência de aro. Além disso, a alta proporção de reforço de fibra enrolada no aro 122 no tubo de combustível 104 significa que seu coeficiente de expansão térmica (CET do "aro") é dominado pelo do reforço de fibra 122, ao invés da matriz de polímero.

[0067] Conforme mencionado acima, a porção de cubo 106 também compreende uma alta proporção de reforço de fibra de aro 110. Como tal, o CET da porção de cubo 106 também é dominado por aquele do reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente 110. Como resultado, os CETs do tubo 104 e da porção de cubo 106 são substancialmente iguais e qualquer expansão térmica ou contração do aro do tubo 104 são compatíveis com a porção de cubo 106. Isto garante que a conexão entre o conector 102 e o tubo 104 permaneça intacta (ou seja, a pressão no anel de vedação O-ring permanece constante) ao longo de uma ampla faixa de temperatura (tipicamente -55°C a 90°C).

[0068] O CET axial da porção de cubo 106 e do tubo de compósito 104 pode não ser compatível porém, como destacado acima, uma pequena quantidade de movimento diferencial axial (por exemplo, causado por expansão térmica axial do tubo 104 maior do que a porção de cubo 106) pode ser tolerada sem qualquer impacto na integridade da vedação do anel de vedação O-ring.

[0069] A Figura 4 mostra um exemplo de um conector de compósito de duas extremidades 102'.

[0070] Um método para fabricação de um conector de compósito para um duto de transferência de fluido de acordo com um exemplo da presente divulgação será agora descrito com referência à Figura 5. Em primeiro lugar, na etapa 502, uma porção de cubo tubular 106 é fabricada utilizando polímero termoplástico reforçado com reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente (opcionalmente junto com fibras contínuas orientadas em outras direções, por exemplo axialmente ou helicoidalmente, quando necessário para satisfazer as condições de carga). Neste exemplo, é utilizada uma técnica de colocação automatizada de fibras (AFP) para fabricar a porção de cubo 106 embora também possam ser utilizadas técnicas de fabricação alternativas conhecidas na técnica (por exemplo, um enrolamento de fios ou um processo de entrelaçamento em que um fio misturado compreendendo reforço de fibra misturado com fibra polimérica termoplástica pode ser enrolado em um mandril usando processos convencionais de enrolamento filamentar). Fitas estreitas de rebocos termoplásticos pré-impregnados também podem ser trançadas, em múltiplas camadas, para criar a porção de cubo 106.

[0071] A porção de cubo 106 é então colocada em uma ferramenta de moldagem por injeção na etapa 504. A ferramenta de moldagem por injeção compreende um molde com uma cavidade que é modelada para produzir uma porção de flange 104 em torno da porção de cubo 106 com a forma e dimensões desejadas.

[0072] Subsequentemente, na etapa 506, um polímero termoplástico é aquecido e injetado no molde de um modo que preencha a cavidade de formação do flange. Na etapa 508, o polímero termoplástico é deixado a arrefecer (o que pode tipicamente demorar apenas alguns segundos) e o conector é extraído.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Método para fabricação de um conector de compósito (por exemplo, polímero reforçado por fibra) para um duto de transferência de fluidos, caracterizado pelo fato de que compreende: fabricação de uma porção de tubular que se estende substancialmente paralela ao eixo central, a porção de cubo compreendendo um polímero termoplástico reforçado com reforço de fibra orientado circunferencialmente; colocação da porção de cubo em um molde com pelo menos uma cavidade; e introdução do polímero no molde de modo a preencher a pelo menos uma cavidade para formar uma porção de flange ao redor da porção do cubo.

2. Método para fabricação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o polímero introduzido no molde compreende um polímero termoplástico.

3. Método para fabricação de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a fabricação da porção de cubo tubular compreende uma colocação de fibra automatizada (automated fibre placement, AFP), um processo de enrolamento de fios misturados ou um processo de entrelaçamento.

4. Método para fabricação de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o método compreende um processo de moldagem para formar a porção de flange em torno da porção do cubo.

5. Método para fabricação de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o reforço de fibras cortadas é introduzido no molde com o polímero.

6. Conector de compósito (por exemplo, polímero reforçado com fibras) para um duto de transferência de fluido, caracterizado pelo fato de que compreende uma porção de cubo compreendendo um tubo que se estende substancialmente paralelo a um eixo central; e uma porção de flange que se estende da porção de cubo em um ângulo até o eixo central; em que a porção de cubo compreende um polímero termoplástico reforçado com reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente; e em que a porção de flange compreende um polímero que é moldado na porção de cubo.

7. Conector de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a porção de flange compreende um polímero termoplástico.

8. Conector de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma ou mais estruturas de reforço ou enrijecimento entre a porção de flange e a porção de cubo.

9. Conector de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que a porção de flange consiste em um polímero sem reforço.

10. Conector de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que a porção de flange compreende reforço de fibra cortada.

11. Conector de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 10, caracterizado pelo fato de que a porção de flange compreende pelo menos um orifício de passagem.

12. Conector de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 11, caracterizado pelo fato de que a porção de flange é substancialmente perpendicular ao eixo central da porção de cubo.

13. Conector de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 12, caracterizado pelo fato de que o reforço de fibra contínuo orientado circunferencialmente se estende em um ângulo superior a 80° em relação ao eixo central.

14. Conector de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos um aditivo de material não fibroso.

15. Sistema de conexão, compreendendo o conector como definido em qualquer uma das reivindicações 6 a 14 e um duto de transferência de fluido de polímero reforçado com fibra conectado à porção de cubo, caracterizado pelo fato de que a composição e a orientação do reforço de fibra dentro da porção de cubo é selecionada de modo que o coeficiente de expansão térmica e/ou a rigidez da porção de cubo corresponde substancialmente ao do duto de transferência de fluido.