BRPI0721605A2

BRPI0721605A2 - geometrias complexas feitas de material compàsito e processo de modelagem para as mesmas

Info

Publication number: BRPI0721605A2
Application number: BRPI0721605-0A
Authority: BR
Inventors: Jose Manuel Menendez Martin; Julian Sanchez Fernandez
Original assignee: Airbus Operations Sl
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2013-01-22
Also published as: CA2685481A1; EP2156943A4; CN101795851B; WO2008132252A1; US20080268208A1; CN101795851A; US20110186209A1; EP2156943A1

Abstract

GEOMETRIAS COMPLEXAS FEITAS DE MATERIAL COMPàSITO E PROCESSO DE MODELAGEM PARA AS MESMAS. A presente invenção refere-se a um processo de modelagem para modelar geometricamente laminados complexos feitos de material compósito que permitem obter geometrias dobradas muito complexas, reduzir a área de influência das áreas modeladas e fazer seu efeito local, manusear a geometria do laminado próximo à área a ser modelada, substituir as geometrias modeladas com geometrias dobradas, dessa maneira forçar a área de influência da modelagem para ser local, de modo que o comprimento das fibras de reforço afetadas pela dita modelagem seja minimo. A presente invenção também se refere a geometrias complexas de laminados feitos de material compôsito, obtidos por meio dos processos de modelagem prévios.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "GEOMETRI- AS COMPLEXAS FEITAS DE MATERIAL COMPÓSITO E PROCESSO DE MODELAGEM PARA AS MESMAS".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a geometrias complexas de lami-

nados feitos de material compósito para aeroplano e o processo de modela- gem para moldar tais geometrias. Antecedentes da Invenção

A introdução intensiva de materiais compósitos avançados em estruturas primárias tem se tornado um processo fundamental de otimização estrutural (com base em economias de peso e o aperfeiçoamento de propri- edades mecânicas), um dos objetivos chefes no projeto e fabricação de uma nova geração de aeronave. Essa introdução intensiva foi possível graças ao aperfeiçoamento das técnicas e aparelho para colocar fitas e corte automáti- co de laminados obtidos de fitas que consistem em fibras de reforço contí- nuo pré-impregnadas com resinas poliméricas, e a introdução de técnicas de modelagem semiautomática, que tem permitido a obtenção crescentemente maior e mais complexa de elementos estruturais em períodos de tempo crescentemente mais curtos. No entanto, a fabricação por meio de técnicas de empilhamento

de laminado pré-impregnado, e subsequente corte e modelagem de lamina- dos, tem uma importante limitação: a capacidade de modelagem dos lami- nados obtidos depois das operações de empilhamento e corte é limitada. Um laminado, formado por fibras de reforço muito longas embutidas em uma matriz de resina, será moldável se e somente se ele permitir o deslizamento de fibras de reforço contínuas nas áreas diretamente afetadas pela modela- gem e na área de influência da modelagem, se estendendo para toda a su- perfície do laminado que contém fibras de reforço afetadas pela modelagem em qualquer ponto ao longo de todo seu comprimento. No entanto, esse deslizamento é limitado pela fricção causada pela viscosidade e adesão da resina, em combinação com o longo comprimento das fibras (aproximada- mente o comprimento da parte), significando que uma pequena modelagem tem uma área de influência muito grande, aproximadamente as dimensões do laminado a ser formado.

Existem dois processos conhecidos para facilitar a modelagem de laminados com base na modificação das variáveis que afetam a formabi- lidade: a viscosidade da resina e o comprimento das fibras de reforço.

Uma das técnicas de modelagem conhecidas é baseada em uma combinação de calor (para diminuir a viscosidade da resina) e pressão (usada, por um lado, para formar o laminado nas áreas desejadas, e por ou- tro lado, para pressionar nas áreas do laminado indiretamente afetadas pela modelagem, para o propósito de guiar as fibras de reforço no seu desliza- mento e evitar a formação de pregas e distorções). Essa técnica é complexa e cara para as partes grandes, porque é necessário pressionar e aplicar ca- lor em toda a superfície afetada.

A segunda técnica conhecida consiste na redução do compri- mento das fibras de reforço ou na fonte de material bruto ou fazendo cortes tendo uma largura moderada na fita pré-impregnada durante o processo au- tomático de colocar fitas. Essa técnica trabalha com as fibras orientadas sendo longas o bastante para obter os laminados desejados, por conseguin- te, a área de influência da modelagem é grande, enquanto ao mesmo tempo o comprimento das fibras de reforço afetadas pela dita modelagem é tam- bém muito grande.

A presente invenção objetiva solucionar esses obstáculos. Sumário da Invenção

Em vista do já mencionado, a presente invenção propõe um pro- cesso para formar geometrias complexas de laminados feitos de material compósito que permite a obtenção de geometrias dobradas muito comple- xas, reduzir a área de influência das áreas formadas, e fazer o deslizamento das fibras de reforço para a dita modelagem ser local. A presente invenção também se refere às geometrias complexas de laminados feitos de material compósito obtido por meio do processo anterior.

A presente invenção descreve um processo de manuseio de modelagem que substituiria as geometrias formadas com geometrias dobra- das (isto é, geometrias com as quais as superfícies desenvolvíveis ou quase desenvolvíveis são obtidas por meio de dobras de geração, áreas de transi- ção e mudanças de raios), por conseguinte, forçando a área de influência da modelagem para ser local, de modo que o comprimento das fibras de reforço afetadas pela dita modelagem é mínima.

A invenção, desse modo, descreve um processo para manusear a geometria de laminados feitos de reforços de fibras contínuas ou descontí- nuas muito longas pré-impregnadas com resina termocurada ou termoplásti- ca, usada para a fabricação de partes estruturais feitas de material compósi- to, substituir as geometrias formadas com geometrias dobradas desenvolví- veis ou quase desenvolvíveis, por conseguinte, forçar a área de influência da modelagem para ser local, de modo que o comprimento das fibras de reforço afetadas pela dita modelagem seja mínimo.

Desse modo, já que em um processo de desenho e de fabrica- ção convencional de uma estrutura a modelagem de uma parte é realizada somente até sua geometria final solicitar sua funcionalidade final; no proces- so de desenho e de fabricação de acordo com a invenção, a geometria da parte é adaptada para facilitar o processo de modo que a modelagem final é realizada por meio de operações de dobragem que geram uma parte desen- volvível ou quase desenvolvível final, e em que o deslizamento de fibras de reforço irá afetar somente a parte localmente.

Outras características e vantagens da presente invenção serão compreendidas a partir da seguinte descrição detalhada de uma modalidade ilustrativa do seu objetivo em relação aos desenhos em anexo. Descrição dos Desenhos

As Figuras 1a, 1b, 1ce 1d mostram o processo de modelagem para formar um laminado de acordo com a técnica previamente conhecida.

A Figura 2 mostra detalhes 4 da Figura 1b do efeito de desliza- mento entre as pregas de laminado de acordo com o processo de modela- gem da técnica previamente conhecida.

A Figura 3 mostra esquematicamente vistas em elevação e de perfil de uma pele de material compósito com um elemento de reforço e uma pele superior com uma mudança de espessura de acordo com a técnica pre- viamente conhecida.

A Figura 4 esquematicamente mostra o efeito causado em um laminado quando ele deve ser formado para obter a geometria da Figura 3 de acordo com a técnica previamente conhecida.

A Figura 5 mostra um detalhe da Figura 3, mostrando uma vista ampliada da área de transição em que o deslizamento ocorre de acordo com a técnica previamente conhecida.

A Figura 6 mostra um esboço em corte da Figura 3, mostrando a mudança da seção local e o deslizamento local forçados por ele de acordo com a técnica previamente conhecida.

A Figura 7 mostra esquematicamente o perfil de uma pele feita de material compósito de acordo com a configuração proposta na presente invenção.

A Figura 8 mostra um detalhe da Figura 6, mostrando uma vista

ampliada da área de transição na mudança de seção, de acordo com a pre- sente invenção.

A Figura 9 mostra esquematicamente um esboço em corte da Figura 7, mostrando a mudança da seção local mantendo seu perímetro, de acordo com a presente invenção.

A Figura 10 mostra o modelo tridimensional de uma aresta da asa de uma aeronave, em que uma das bases de suporte da pele requer uma mudança de plano.

A Figura 11 mostra a solução tradicional para a mudança de plano da pele da Figura 10.

A Figura 12 mostra uma solução com base na presente invenção para a mudança de plano da pele da Figura 10. Descrição Detalhada da Invenção

Desse modo, como previamente descrito o objetivo da presente invenção é um processo de modelagem para formar laminados feitos de ma- terial compósito, obtidos através de, manualmente ou automaticamente, em- pilhar fitas que consistem em fibras de reforço com orientação definida pré- impregnadas com resinas poliméricas que permitem obter geometrias do- bradas muito complexas, reduzir a área de influência das áreas formadas por meio de adaptação da geometria da parte para uma geometria desen- volvível ou quase desenvolvível, fazendo o deslizamento das fibras de refor- ço associadas com o local de modelagem. A aplicação de um processo de consolidação por meio de pressão e temperatura permite compactar o mate- rial, remover a resina em excesso e as substâncias voláteis, enquanto ao mesmo tempo a consolidação (através de ligação transversal da resina se a resina é resina termocurada, ou através de soldagem se ela for uma resina termoplástica) fornece um painel com alta performance mecânica.

As Figuras 1a, 1b, 1c e 1d esquematicamente mostram o pro- cesso de modelagem para modelar um laminado formado por uma pluralida- de de lâminas pré-impregnadas de acordo com uma técnica conhecida. Exis- tem muitos processos para alcançar o mesmo resultado: modelar com uma prensa de cilindro quente, com um gabarito fêmea elastomérico, com um diafragma elastomérico, com um diafragma duplo, com uma bolsa de vácuo, etc., e todos eles são compatíveis com a configuração geométrica proposta e método de moldagem.

A Figura 1a mostra o laminado 1 antes do processo de modela- gem a quente, imediatamente antes dele ser colocado no gabarito de mol- dagem 2, nesse caso particular, um molde com uma seção constante para obter uma geometria conformada em ômega. A Figura 1b mostra o mesmo laminado 1 durante o processo de modelagem, em que ocorre uma adapta- ção progressiva 3 do laminado para o gabarito 2. A Figura 1c mostra o Iami- nado 1 completamente formado no gabarito 2, e a Figura 1d mostra a extra- ção do agora formado laminado 1 do gabarito 2. A geometria final é desen- volvível, e a modelagem é uma dobragem em que todas as lâminas pré- impregnadas têm desenvolvimento relativo uniforme e idêntico em qualquer seção perpendicular à direção da dobragem. Independentemente da técnica de modelagem escolhida, o pro-

cesso de modelagem para modelar laminados pré-impregnados é executado graças a um fenômeno de escorregamento: calor, para diminuir a viscosida- de da resina, e, desse modo, reduzir a fricção entre as fibras de reforço, e a pressão aplicada lentamente e em um modo guiado (para alcançar o desli- zamento das fibras no seu plano, sem causar pregas). A Figura 2 mostra o deslizamento entre as pregas ao longo da espessura do laminado 1 do deta- lhe 4 na Figura 1b, derivado das condições de contorno da modelagem: um plano originalmente perpendicular à espessura do laminado 1 não mais é perpendicular a ela como uma conseqüência do dito deslizamento.

A modelagem de laminado para fornecer geometrias desenvolví- veis é relativamente simples e é conhecida no estado da técnica de tecnolo- gia da fabricação de estrutura de material compósito: elementos retos ou elementos com pequenas curvas, tais como C-, L, ômega-, etc., Iongarinas conformadas, membros longitudinais e reforços são, por conseguinte, fabri- cados. A Figura 3 esquematicamente mostra vistas em elevação e de perfil, e vista em perspectiva, de uma pele feita do material compósito 10 com um reforço conformado em ômega 11 similar a um da Figura 1, e uma pele su- perior 12 com uma mudança de espessura 13 forçando uma mudança de seção local 14 no reforço conformado em ômega 11.

A Figura 4 esquematicamente mostra o efeito causado em um laminado quando ele deve ser formado para obter a geometria da Figura 3. O deslocamento dos laminados pré-impregnados não mais é uniforme e i- dêntico para cada seção, sendo uma área de transação 15 em que existe deslizamento entre as seções contíguas que, em combinação com a exis- tência de lâminas com diferentes orientações das fibras de reforço, força a modelagem de pregas e distorções das fibras de reforço. A área de influência da mudança de seção então se estende pa-

ra toda a largura da seção do laminado 17, áreas marcadas como 15 e 16, causando uma elevação da borda do laminado 17 em toda a área de influ- ência da modelagem (vide o detalhe na Figura 5).

A mudança da seção local 18 e o deslocamento local forçado por ela são esquematicamente mostrados no esboço da Figura 6.

A Figura 7 mostra a configuração proposta na presente inven- ção, em que a mudança de seção é executada através de dobrar o laminado e, por conseguinte, criar uma área de transição 18 que permite manter o pe- rímetro da seção deformada ao longo de todo o comprimento deformado (detalhes na Figura 8), alcançar uma conformação desenvolvível ou quase desenvolvível. Todos os laminados pré-impregnados, desse modo, têm des- Iocamento relativo quase uniforme e virtualmente idêntico em qualquer se- ção perpendicular à direção da dobragem. Então não existe deslizamento entre as seções contíguas, e a área de influência da mudança de seção não se estende para o resto do laminado, sendo limitada para a área formada.

A mudança de seção mantendo seu perímetro e eliminando a área de distorção do laminado é mostrada na Figura 9.

A invenção pode ser estendida para qualquer elemento e confi- guração que exige modelagem, como é mostrado na Figura 10, em que uma aresta da asa de uma aeronave é mostrada, com uma rede 19, cujas bases são usadas como interface com as peles aerodinâmicas 20, e uma base 21 exigindo uma mudança de plano para absorver uma mudança de espessura da pele, similar à mudança de seção 14 do reforço da Figura 3.

A Figura 11 mostra a solução tradicional, mantendo a rede da aresta em um plano e forçando a distorção local do laminado 22 na área de mudança do plano da base de suporte. A Figura 12 mostra a solução baseada na solução proposta na

presente invenção, forçando a mudança de plano da rede da aresta (23) e a mudança de raio (24) de maneira que a mudança de plano da base de su- porte é obtida por meio de dobragem, sem distorção.

Estas modificações compreendidas dentro do escopo definido pelas seguintes reivindicações podem ser introduzidas nas modalidades descritas acima.

Claims

1. Processo de modelagem para modelar laminados feitos de ma- terial compósito, obtidos por meio de empilhamento de fitas, compreendendo fibras de reforço com uma orientação predefinida pré-impregnadas com resinas poliméricas para obter geometrias de partes estruturais feitas de material com- pósito para aeronave, o processo de modelagem mencionado para modelar os laminados feitos de material compósito sendo executados por meio de aplicar pressão e temperatura, caracterizado pelo fato de que a modelagem de lami- nados feitos de material compósito é executada por meio de dobragem dos Ia- minados, sem esses laminados se tornando distorcidos, criar dobras, áreas de transição (18) e mudanças de raio (24) que permitem manter o perímetro da seção deformada ao longo de todo o comprimento deformado, de modo que todos os laminados pré-impregnados têm deslocamento relativo substancial- mente uniforme e idêntico em qualquer seção perpendicular à direção da dobra.

2. Processo de modelagem para modelar laminados feitos de material compósito de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo de modelagem mencionado é executado pela aplicação de pressão lentamente e em uma maneira guiada para alcançar o desliza- mento das fibras no seu plano sem causar pregas.

3. Processo de modelagem para modelar laminados feitos de material compósito de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as fibras de reforço dos laminados feitos de material compósito são fibras contínuas.

4. Processo de modelagem para modelar laminados feitos de material compósito de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as fibras de reforço dos laminados feitos de material compósito são fibras descontínuas muito longas.

5. Processo de modelagem para modelar laminados feitos de material compósito de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as fibras de reforço dos laminados feitos de material compósito são fibras pré-impregnadas com resinas poliméricas ter- mocuradas.

6. Processo de modelagem para modelar laminados feitos de material compósito de acordo com qualquer das reivindicações de 1 a 4, ca- racterizado pelo fato de que as fibras de reforço dos laminados de material compósito são pré-impregnadas com resina polimérica termoplástica.

7. Processo de modelagem para modelar laminados feitos de material compósito de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o empilhamento de fitas para modelagem dos laminados feitos de material compósito é executado manualmente.

8. Processo de modelagem para modelar laminados feitos de material compósito de acordo com qualquer das reivindicações de 1 a 6, ca- racterizado pelo fato de que o empilhamento de fitas para modelagem dos laminados feitos de material compósito é executado automaticamente.

9. Geometria de partes estruturais feitas de material compósito para aeronave compreendendo laminados com pilhas de fitas, por sua vez compreendendo fibras de reforço com uma orientação definida, pré- impregnadas com resinas poliméricas, caracterizada pelo fato de que a ge- ometria mencionada é obtida por meio de dobragem e é adaptada a uma conformação substancialmente desenvolvível, compreendendo dobras, á- reas de transição (18) e mudanças de raio (24) que permitem a manutenção do perímetro da seção deformada ao longo de todo o comprimento deforma- do, de modo que todos os laminados pré-impregnados têm deslocamento relativo substancialmente uniforme e idêntico em qualquer seção perpendi- cular à direção da dobra.

10. Geometria de partes estruturais feitas de material compósito para aeronave de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que as fibras de reforço dos laminados feitos de material compósito são fi- bras contínuas.

11. Geometria de partes estruturais feitas de material compósito para aeronave de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que as fibras de reforço dos laminados feitos de material compósito são fi- bras descontínuas muito longas.

12. Geometria de partes estruturais feitas de material compósito para aeronave de acordo com qualquer das reivindicações de 9 a 11, carac- terizada pelo fato de que as fibras de reforço dos laminados feitos de materi- al compósito são pré-impregnadas com resinas poliméricas termocuradas.

13. Geometria de partes estruturais feitas de material compósito para aeronave de acordo com qualquer das reivindicações de 9 a 11, carac- terizada pelo fato de que as fibras de reforço dos laminados feitos de materi- al compósito são pré-impregnadas com resinas poliméricas termocuradas.

14. Geometria de partes estruturais feitas de material compósito para aeronave de acordo com qualquer das reivindicações de 9 a 13, carac- terizada pelo fato de que o empilhamento de fitas para modelar os laminados feitos de material compósito é executado manualmente.

15. Geometria de partes estruturais feitas de material compósito para aeronave de acordo com qualquer das reivindicações de 9 a 13, carac- terizada pelo fato de que o empilhamento de fitas para modelar os laminados feitos de material compósito é executado automaticamente.