BR102022015861A2 - PRE-IMPREGNATED, MULTI-LAYER AND MULTIDIRECTIONAL CONTINUOUS FIBER BLANTS WITH CONTROLLABLE ANGLE BETWEEN FIBERS AND ITS MANUFACTURING PROCESS - Google Patents
PRE-IMPREGNATED, MULTI-LAYER AND MULTIDIRECTIONAL CONTINUOUS FIBER BLANTS WITH CONTROLLABLE ANGLE BETWEEN FIBERS AND ITS MANUFACTURING PROCESS Download PDFInfo
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- C09K21/14—Macromolecular materials
Abstract
mantas de fibras contínuas pré-impregnadas, multicamadas e multidirecionais com ângulo entre fibras controlável e seu processo de fabricação. a presente invenção refere-se à obtenção de manta de fibras contínuas multicamadas e multidirecionais com ângulo entre fibras controláveis, e o método de obtenção destas mantas de compósitos pré-impregnados que após curados e manufaturados, transformam-se em um componente em compósito com alta resistência estrutural, com baixo custo e com diversos segmentos e aplicações. o material pré-impregnado resultante pode ser curado com ação de temperatura e pressão, transformando-se em componentes em compósitos com geometrias simples e complexas com aplicações industriais em setores como construção civil, naval, aeronáutica, ferroviária, automobilística e caminhões, óleo e gás, defesa, artigos esportivos, diversos componentes industriais, entre outras.pre-impregnated, multilayer and multidirectional continuous fiber blankets with controllable fiber angle and their manufacturing process. The present invention refers to obtaining a blanket of continuous multilayer and multidirectional fibers with a controllable angle between fibers, and the method of obtaining these pre-impregnated composite blankets that, after cured and manufactured, become a composite component with high structural resistance, at low cost and with different segments and applications. the resulting pre-impregnated material can be cured with the action of temperature and pressure, transforming into composite components with simple and complex geometries with industrial applications in sectors such as civil construction, naval construction, aeronautics, railways, automobiles and trucks, oil and gas , defense, sporting goods, various industrial components, among others.
Description
[001] A presente invenção refere-se à obtenção de mantas de fibras contínuas multicamadas e multidirecionais com ângulo entre fibras controláveis, e o método de obtenção destas mantas de compósitos pré-impregnados que após curados e manufaturados, transformam-se em um componente em compósito com alta resistência estrutural, com baixo custo e com diversos segmentos e aplicações. O material pré- impregnado resultante pode ser curado com ação de temperatura e pressão, transformando-se em componentes em compósitos com geometrias simples e complexas com aplicações industriais em setores como construção civil, naval, aeronáutica, ferroviária, automobilística e caminhões, óleo e gás, defesa, artigos esportivos, diversos componentes industriais, entre outras.[001] The present invention relates to obtaining multilayer and multidirectional continuous fiber blankets with controllable angle between fibers, and the method of obtaining these pre-impregnated composite blankets that, after cured and manufactured, become a component in composite with high structural resistance, low cost and with diverse segments and applications. The resulting pre-impregnated material can be cured with the action of temperature and pressure, transforming into composite components with simple and complex geometries with industrial applications in sectors such as civil construction, naval construction, aeronautics, railways, automobiles and trucks, oil and gas , defense, sporting goods, various industrial components, among others.
[002] As mantas de fibras continuas pré-impregnadas, objeto da presente invenção, são materiais compósitos que aliam baixa densidade com elevada resistência mecânica compostos de dois ou mais elementos contendo polimeros e fibras que são submetios a esforços mecânicos cuja aplicação e grande interesse nas indústrias aeroespacial, automobilística, ferroviária, naval, aeronáutica, de telecomunicações, eletrônica, de petróleo e gás, construção civil, esportiva e de equipamentos médicos, entre outras.[002] The pre-impregnated continuous fiber blankets, object of the present invention, are composite materials that combine low density with high mechanical resistance, composed of two or more elements containing polymers and fibers that are subjected to mechanical stress whose application is of great interest in aerospace, automobile, railway, naval, aeronautical, telecommunications, electronics, oil and gas, civil construction, sports and medical equipment industries, among others.
[003] As mantas de fibras continuas pré-impregnadas, objeto da presente invenção, tem por objetivo principal prover o mercado pertinente de um novo material compósto à base de laminados fabricados à base de pré-impregnados (prepregs), com propriedades mecânicas vantajosas em uma ou mais direções com custo inferior, processabilidade superior, e sem suas limitações de armazenamento e manuseio, assim como um novo processo de fabricação desses materiais compósitos que alia vantagens das técnicas comercialmente mais exigentes (pré impregnados, laminados UD) ao custo das técnicas mais baratas (BMC, hand layup) e flexibilidade próxima ao de maior flexibilidade de geometria disponível (SMC, BMC).[003] The pre-impregnated continuous fiber blankets, object of the present invention, have the main objective of providing the relevant market with a new composite material based on laminates manufactured based on pre-impregnates (prepregs), with advantageous mechanical properties in terms of one or more directions with lower cost, superior processability, and without their storage and handling limitations, as well as a new manufacturing process for these composite materials that combines advantages of the most demanding commercial techniques (pre-impregnated, UD laminates) with the cost of the most demanding techniques. cheap (BMC, hand layup) and flexibility close to the greatest geometry flexibility available (SMC, BMC).
[004] Existem alguns documentos de patente que descrevem mantas de fibras e processos de obtenção de mantas de fibras com materiais compósitos, porém nenhum desses documentos antecipa o processo e as mantas de fibras conforme descritos nesta invenção. Dentre esses documentos podem-se destacar os seguintes:[004] There are some patent documents that describe fiber blankets and processes for obtaining fiber blankets with composite materials, but none of these documents anticipate the process and fiber blankets as described in this invention. Among these documents, the following can be highlighted:
[005] O documento de patente US4571355, FIBER REINFORCED RESIN COMPOSITES FORMED OF BASIC PLY BLANKETS, onde são divulgados compósitos de resina reforçada com fibra formados por mantas de camada básica. O método da invenção usa critérios de projeto, a saber, orientação de fibra e porcentagens de fibra em cada direção de orientação, para criar uma manta de camada básica com a mesma orientação de fibra e relação de porcentagem. Especificamente, uma manta de camada básica compreende uma pluralidade de camadas, uma em cada direção de orientação da fibra. A proporção de magnitude de fibra que cada camada de manta tem para a magnitude de fibra da manta é baseada nos critérios de projeto proporção de fibra. A espessura da manta de camada básica é dividida na espessura do projeto em vários locais e os resultados usados para determinar o número de mantas necessárias para atender aos requisitos de espessura do compósito de resina reforçada com fibra em tais locais. As mantas de camadas básicas são então empilhadas para criar a espessura necessária.[005] Patent document US4571355, FIBER REINFORCED RESIN COMPOSITES FORMED OF BASIC PLY BLANKETS, where fiber-reinforced resin composites formed by basic layer blankets are disclosed. The method of the invention uses design criteria, namely, fiber orientation and fiber percentages in each orientation direction, to create a base layer batt with the same fiber orientation and percentage ratio. Specifically, a base layer web comprises a plurality of layers, one in each fiber orientation direction. The fiber magnitude ratio that each blanket layer has to the fiber magnitude of the blanket is based on the fiber ratio design criteria. The base layer batt thickness is divided into the design thickness at various locations and the results used to determine the number of batts needed to meet the thickness requirements of the fiber-reinforced resin composite at such locations. The base layer batts are then stacked to create the required thickness.
[006] O documento de patente CN112970526A, LAYING METHOD OF MULTIPLE LAYERS OF REINFORCED FIBER PLANT BLANKETS, onde a invenção pertence ao campo técnico de métodos de colocação de mantas ecológicas para plantas e descreve um método de colocação de múltiplas camadas de mantas vegetais de fibra reforçada. De acordo com o método, as mantas de fibra reforçadas são colocadas de cima para baixo ao longo da superfície do declive de assentamento, enquanto as múltiplas camadas de mantas de fibra reforçadas são empilhadas e as peças de fixação são usadas para ancoragem após o assentamento empilhado, de modo que a colocação de as mantas de fibra reforçadas são facilitadas e a estabilidade das mantas de fibra reforçadas na superfície do talude de assentamento é garantida. Os cobertores de plantas são impedidos de escorregar. Ao adicionar um agente nutricional, a eficiência e a capacidade de crescimento das sementes de gramíneas nas mantas de plantas são melhoradas e a vida útil das mantas de plantas é prolongada. Um agente de retenção de água é adicionado, de modo que a capacidade de retenção de água dos cobertores de plantas é melhorada. Um aglutinante é adicionado, para que a viscosidade do solo seja aumentada e, enquanto isso, o crescimento estável dos sistemas radiculares de sementes de gramíneas que penetram no solo é garantido. O método de colocação é simples no processo, capaz de fornecer conveniência para a colocação, baixo custo de fabricação e maior taxa de cobertura verde, os benefícios econômicos e a eficiência da proteção ambiental são aumentados e as tarefas de gerenciamento de período posterior são bastante reduzidas.[006] Patent document CN112970526A, LAYING METHOD OF MULTIPLE LAYERS OF REINFORCED FIBER PLANT BLANKETS, where the invention belongs to the technical field of methods for placing ecological blankets for plants and describes a method for placing multiple layers of plant fiber blankets reinforced. According to the method, the reinforced fiber mats are placed from top to bottom along the surface of the laying slope, while the multiple layers of reinforced fiber mats are stacked and the fastening parts are used for anchoring after stacked laying. , so that the placement of the reinforced fiber mats is facilitated and the stability of the reinforced fiber mats on the surface of the laying slope is guaranteed. Plant blankets are prevented from slipping. By adding a nutritional agent, the efficiency and growth capacity of grass seeds in plant mats are improved and the shelf life of plant mats is prolonged. A water retention agent is added, so that the water retention capacity of the plant blankets is improved. A binder is added, so that the viscosity of the soil is increased and, in the meantime, the stable growth of the root systems of grass seeds penetrating the soil is ensured. The placement method is simple in process, able to provide convenience for placement, low manufacturing cost and higher green coverage rate, the economic benefits and environmental protection efficiency are increased, and the later period management tasks are greatly reduced .
[007] O documento de patente CN111995815A, PREPARAÇÃO DE MATERIAL DE POLIOLEFINA DE ALTA RESISTÊNCIA TIPO FIBRA DE MELAMINA, ISENTO DE HALOGÊNIO, RETARDADOR DE CHAMAS, ESPECIAL PARA MANTAS DE ESQUI SECAS, onde a invenção fornece um método de preparação de um material de poliolefina de alta resistência do tipo fibra de melamina, isento de halogênio, retardador de chama, especial para mantas de esqui secas. A poliolefina retardante de chama livre de halogênio é preparada preparando fibras de melamina e adicionando as fibras de melamina em poliolefina. A poliolefina tem um desempenho abrangente mais excelente, pode substituir um material tradicional de manta de esqui seca e traz uma experiência de esqui melhor e mais segura para as pessoas. O material de poliolefina de alta resistência do tipo fibra de melamina, isento de halogênio, retardador de chamas, especial para cobertores de esqui secos, tem as vantagens de ser de alta resistência, bom em propriedade de retardamento de chama, alta segurança e similares.[007] Patent document CN111995815A, PREPARATION OF HIGH-RESISTANCE POLYOLEFIN MATERIAL TYPE OF MELAMINE FIBER, HALOGEN-FREE, FLAME-RETARDANT, SPECIAL FOR DRY SKI BLANKS, where the invention provides a method of preparing a polyolefin material high-resistance melamine fiber type, halogen-free, flame retardant, special for dry ski blankets. Halogen-free flame retardant polyolefin is prepared by preparing melamine fibers and adding the melamine fibers into polyolefin. Polyolefin has more excellent comprehensive performance, can replace traditional dry ski blanket material, and brings a better and safer skiing experience to people. Melamine fiber type high-strength polyolefin material, halogen-free, flame retardant, special for dry ski blankets, has the advantages of high strength, good in flame retardant property, high safety and the like.
[008] O documento de patente US4516996A, FORMATION OF MOLDED GLASS FIBER PARTS FROM GLASS FIBER BLANKETS AND PRODUCT , que descreve peças de fibra de vidro moldadas são formadas depositando uma resina fenólica e poliisocianato líquido nas fibras de vidro à medida que são emitidas a partir de um meio de formação de fibra, acumulando as fibras de vidro como um pacote e moldando o pacote em contato com uma amina terciária para curar a referida resina e poliisocianato e para produzir uma peça de fibra de vidro moldada.[008] Patent document US4516996A, FORMATION OF MOLDED GLASS FIBER PARTS FROM GLASS FIBER BLANKETS AND PRODUCT, which describes molded glass fiber parts are formed by depositing a phenolic resin and liquid polyisocyanate onto the glass fibers as they are emitted from of a fiber forming medium, accumulating the glass fibers as a bundle and molding the bundle in contact with a tertiary amine to cure said resin and polyisocyanate and to produce a molded glass fiber part.
[009] O documento de patente US3865540A, PURGING SYSTEM AND METHOD FOR A PROCESS PRODUCING GLASS FIBER BLANKETS, que descreve uma manta de fibra de vidro impregnada de ligante é curada e moldada passando a manta através de uma série de conjuntos de placas aquecidas espaçadas. A cura da manta produz vapores, fumaças, odores e outros poluentes que devem ser impedidos de escapar para o entorno dos conjuntos de placas. Consequentemente, esses gases são purgados da manta à medida que a manta passa entre os conjuntos de placas adjacentes. O ar quente é introduzido de uma câmara plenum em um lado do cobertor. O ar quente e os poluentes do aglutinante são aspirados através e da manta por uma câmara de sucção no lado oposto da manta. Os gases da câmara de sucção são então passados por um enchimento de ar e descarregados na atmosfera.[009] Patent document US3865540A, PURGING SYSTEM AND METHOD FOR A PROCESS PRODUCING GLASS FIBER BLANKETS, which describes a binder-impregnated glass fiber blanket that is cured and shaped by passing the blanket through a series of sets of spaced heated plates. Curing the blanket produces vapors, fumes, odors and other pollutants that must be prevented from escaping into the surrounding areas of the plate assemblies. Consequently, these gases are purged from the blanket as the blanket passes between sets of adjacent plates. Warm air is introduced from a plenum chamber on one side of the blanket. Hot air and binder pollutants are drawn through and from the blanket by a suction chamber on the opposite side of the blanket. The gases from the suction chamber are then passed through an air filling and discharged into the atmosphere.
[010] O documento de patente WO9913185A1, FLEXIBLE MINERAL FIBER DUCT WRAP INSULATION BLANKET INCORPORATING A STRIP OF ADHESIVE FOR SECURING ADJACENT BLANKETS, onde são fornecidas mantas isolantes úteis para aplicação em dutos de aquecimento, ventilação ou ar-condicionado. Em uma manta de isolamento preferida (5), é fornecida uma camada de manta de lã (15) incluindo uma pluralidade de fibras minerais. A camada de manta de lã (15) inclui uma primeira porção de borda lateral. Uma camada de revestimento (25) é aderida à camada de manta de lã e uma aba (10) se estende da primeira porção de borda lateral da camada de manta de lã (15). A manta isolante (5) inclui ainda meios adesivos (20) para permitir que a aba (10) da manta isolante (5) seja fixada de forma adesiva a uma porção ou camada de manta isolante adjacente (40). Os meios adesivos (20) desta invenção podem estar localizados na aba ou em uma porção de borda lateral oposta à aba para conectar a porções ou camadas de manta isolante adjacentes.[010] Patent document WO9913185A1, FLEXIBLE MINERAL FIBER DUCT WRAP INSULATION BLANKET INCORPORATING A STRIP OF ADHESIVE FOR SECURING ADJACENT BLANKETS, where insulating blankets useful for application to heating, ventilation or air-conditioning ducts are provided. In a preferred insulation blanket (5), a wool blanket layer (15) including a plurality of mineral fibers is provided. The fleece blanket layer (15) includes a first side edge portion. A coating layer (25) is adhered to the wool blanket layer and a flap (10) extends from the first side edge portion of the wool blanket layer (15). The insulation blanket (5) further includes adhesive means (20) for allowing the flap (10) of the insulation blanket (5) to be adhesively attached to an adjacent portion or layer of insulation blanket (40). The adhesive means (20) of this invention may be located on the flap or on a side edge portion opposite the flap for connecting to adjacent insulating blanket portions or layers.
[011] A seguir faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:[011] Below, reference is made to the Figures that accompany this descriptive report, for a better understanding and illustration thereof, where you can see:
[012] A Figura 1 mostra um esquema representando a relação entre a resistência do material compósito versus o tipo de material de reforço. Efeito do tipo de reforço na resistência mecânica do compósito. (Fonte: Autor)[012] Figure 1 shows a scheme representing the relationship between the strength of the composite material versus the type of reinforcement material. Effect of the type of reinforcement on the mechanical strength of the composite. (Source: Author)
[013] A Figura 2 mostra os Dados da Grand View Research sobre o mercado de compósitos em 2020. (Composites Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product (Carbon, Glass), By Manufacturing Process (Layup, Filament, RTM), By End Use, By Region, And Segment Forecasts, 2021 — 2028)[013] Figure 2 shows Grand View Research Data on the composites market in 2020. (Composites Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product (Carbon, Glass), By Manufacturing Process (Layup, Filament, RTM), By End Use, By Region, And Segment Forecasts, 2021 — 2028)
[014] A Figura 3 mostra os Principais componentes em compósitos na indústria automobilística europeia e sua taxa de crescimento. (Adaptado de CAR Research 2017, Automotive Composites Market: Trends, Opportunities and Competitive Analysis - LUCINTEL)[014] Figure 3 shows the main components in composites in the European automobile industry and their growth rate. (Adapted from CAR Research 2017, Automotive Composites Market: Trends, Opportunities and Competitive Analysis - LUCINTEL)
[015] A Figura 4 mostra o esquema das Potenciais estruturas a serem substituídas por compósitos em um veículo de passeio. (Adaptado de CAR Research 2017, Automotive Composites Market: Trends, Opportunities and Competitive Analysis - LUCINTEL)[015] Figure 4 shows the schematic of potential structures to be replaced by composites in a passenger vehicle. (Adapted from CAR Research 2017, Automotive Composites Market: Trends, Opportunities and Competitive Analysis - LUCINTEL)
[016] A Figura 5 mostra um Caminhão IVECO com 5 componentes fabricados em compósitos no mercado de caminhões diversos componentes hoje já são fabricados em compósitos, como exemplificado na Figura 5.[016] Figure 5 shows an IVECO Truck with 5 components manufactured in composites. In the truck market, several components today are already manufactured in composites, as exemplified in Figure 5.
[017] A Figura 6 mostra uma Vista explodida do EMB-170 ressaltando componentes em compósitos. (Fonte: REZENDE, Mirabel C.. Fractografia de Compósitos Estruturais. Polímeros [online]. 2007, vol.17, n.3, pp.E4-E11. ISSN 0104-1428. http://dx.doi.org/10.1590/S0104- 14282007000300003)[017] Figure 6 shows an exploded view of the EMB-170 highlighting composite components. (Source: REZENDE, Mirabel C.. Fractography of Structural Composites. Polymers [online]. 2007, vol.17, n.3, pp.E4-E11. ISSN 0104-1428. http://dx.doi.org/ 10.1590/S0104- 14282007000300003)
[018] A Figura 7 mostra a FONTE. Adaptado de BOEING. (Disponível em http://www.boeing.com/commerciaI/aeromagazine/articIes/qtr_4_06/articIe_04_2.htmI.[018] Figure 7 shows the SOURCE. Adapted from BOEING. (Available at http://www.boeing.com/commerciaI/aeromagazine/articIes/qtr_4_06/articIe_04_2.htmI.
[019] A Figura 8 mostra o Adaptado de M. DUHOVIC and D. BHATTACHARYYA, University of Auckland, New Zealand — Chapter 8 — Knitted Fabric Composites)[019] Figure 8 shows Adapted from M. DUHOVIC and D. BHATTACHARYYA, University of Auckland, New Zealand — Chapter 8 — Knitted Fabric Composites)
[020] A Figura 9 mostra as Resistências obtiveis com a invenção de acordo com o ângulo de enrolamento. (Fonte: Autor)[020] Figure 9 shows the Resistances obtainable with the invention according to the winding angle. (Source: Author)
[021] A Figura 10 mostra o aptado de V MIDDLETON,13 - Filament winding,Editor(s): M J Owen, V Middleton, I A Jones,ln Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering,lntegrated Design and Manufacture Using Fibre-Reinforced Polymeric Composites,Woodhead Publishing,2000,Pages 187-206, ISBN 9781855734531, https://doi.org/10.1533/9781855738874.233.[021] Figure 10 shows the fit of V MIDDLETON,13 - Filament winding, Editor(s): M J Owen, V Middleton, I A Jones, ln Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering, integrated Design and Manufacture Using Fiber-Reinforced Polymeric Composites,Woodhead Publishing,2000,Pages 187-206, ISBN 9781855734531, https://doi.org/10.1533/9781855738874.233.
[022] A Figura 11 mostra o adaptado de V MIDDLETON,13 - Filament winding,Editor(s): M J Owen, V Middleton, I A Jones,ln Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering,lntegrated Design and Manufacture Using Fibre-Reinforced Polymeric Composites,Woodhead Publishing,2000,Pages 187-206, ISBN 9781855734531, https://doi.org/10.1533/9781855738874.233.[022] Figure 11 shows the adapted from V MIDDLETON,13 - Filament winding, Editor(s): M J Owen, V Middleton, I A Jones, ln Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering, integrated Design and Manufacture Using Fiber-Reinforced Polymeric Composites,Woodhead Publishing,2000,Pages 187-206, ISBN 9781855734531, https://doi.org/10.1533/9781855738874.233.
[023] A Figura 12 mostra a estrutura de Poliésteres Insaturados e Ésteres Vinílicos: Andreas Kandelbauer, Gianluca Tondi, Oscar C. Zaske and Sidney H. Goodman School of Applied Chemistry, Reutlingen University, Germany; Salzburg University of Applied Sciences, Austria; Consultant, PalosVerdes Estates, CA and Principal Engineer/Scientist (Emeritus), RaytheorrHughes Aerospace Corp. & Senior Lecturer (Emeritus), University of Southern California.[023] Figure 12 shows the structure of Unsaturated Polyesters and Vinyl Esters: Andreas Kandelbauer, Gianluca Tondi, Oscar C. Zaske and Sidney H. Goodman School of Applied Chemistry, Reutlingen University, Germany; Salzburg University of Applied Sciences, Austria; Consultant, PalosVerdes Estates, CA and Principal Engineer/Scientist (Emeritus), RaytheorrHughes Aerospace Corp. & Senior Lecturer (Emeritus), University of Southern California.
[024] A Figura 13 mostra um exemplo do mecanismo de espessamento, que exige a presença de grupos ácidos na resina selecionada.[024] Figure 13 shows an example of the thickening mechanism, which requires the presence of acidic groups in the selected resin.
[025] A Figura 14 mostra o fluxograma do processo de fabricação das mantas de fibras contínuas pré-impregnadas, multicamadas e multidirecionais com ângulo entre fibras controlável.[025] Figure 14 shows the flowchart of the manufacturing process of pre-impregnated, multilayer and multidirectional continuous fiber blankets with a controllable angle between fibers.
[026] Os avanços científico e tecnológico observado nas últimas décadas vem exigindo materiais que possuam características cada vez mais específicas. Neste contexto, partindo-se da combinação de dois ou mais componentes em uma única estrutura de forma a obter propriedades que nenhum dos componentes isolados seria capaz de fornecer, surge o conceito de materiais compósitos.[026] Scientific and technological advances observed in recent decades have required materials that have increasingly specific characteristics. In this context, starting from the combination of two or more components into a single structure in order to obtain properties that none of the isolated components would be capable of providing, the concept of composite materials arises.
[027] Para contornar os desafios da engenharia, materiais que aliam baixa densidade com elevada resistência mecânica são de grande interesse. Nesse cenário destacam-se os plásticos reforçados com fibras de alto módulo (Fibras de vidro, carbono, aramida, naturais). Tais estruturas, quando submetidas a esforços mecânicos tem a fibra (reforço) como responsável por suportar o carregamento, enquanto a matriz polimérica é responsável por distribuir a carga de maneira homogênea. Materiais que apresentam tais propriedades são amplamente aplicados nas indústrias aeroespacial, automobilística, ferroviária, naval, aeronáutica, de telecomunicações, eletrônica, de petróleo e gás, construção civil, esportiva e de equipamentos médicos, entre outras.[027] To overcome engineering challenges, materials that combine low density with high mechanical resistance are of great interest. In this scenario, plastics reinforced with high modulus fibers (glass, carbon, aramid, natural fibers) stand out. Such structures, when subjected to mechanical stress, have the fiber (reinforcement) responsible for supporting the load, while the polymer matrix is responsible for distributing the load homogeneously. Materials that exhibit such properties are widely applied in the aerospace, automobile, railway, naval, aeronautical, telecommunications, electronics, oil and gas, civil construction, sports and medical equipment industries, among others.
[028] As propriedades de um material compósito não dependem somente de sua composição química. A região de contato entre o reforço e a matriz é denominada interface. Se os materiais interagem entre si formando uma interface, tem-se um material compósito, ou composto. Caso contrário é formada apenas uma mistura heterogênea. Outros fatores que determinam as propriedades são a morfologia do sistema, o tamanho, forma e distribuição do componente de reforço e das cargas sendo de fundamental importância. Se um reforço de elevado módulo elástico é introduzido em uma matriz de baixo módulo, o esforço é transmitido pela matriz ao reforço, causando uma tensão cisalhante na região de interface.[028] The properties of a composite material do not depend solely on its chemical composition. The region of contact between the reinforcement and the matrix is called the interface. If the materials interact with each other forming an interface, there is a composite material, or compound. Otherwise, only a heterogeneous mixture is formed. Other factors that determine the properties are the morphology of the system, the size, shape and distribution of the reinforcement component and the loads being of fundamental importance. If a reinforcement with a high elastic modulus is introduced into a matrix with a low modulus, the stress is transmitted by the matrix to the reinforcement, causing a shear stress in the interface region.
[029] O tipo, concentração, tamanho e orientação da fibra determinam grande parte das propriedades mecânicas do compósito. Geralmente distinguimos as fibras em função do seu tamanho como Fibras curtas (<25mm), Fibras Longas (>25 e >=50mm) e fibras contínuas. Dada a devida adesão entre a fibra reforçante e a sua matriz, as propriedades mecânicas são definidas majoritariamente pela orientação das fibras. Geralmente, compósitos apresentam comportamento anisotrópico. Isto é, suas propriedades mudam em função da direção de aplicação da carga. Ele apresenta a maior resistência e rigidez possível paralelamente à orientação da fibra. Em contrapartida, ao se trabalhar perpendicularmente à essa orientação, as propriedades do compósito podem ser até inferiores à da matriz.[029] The type, concentration, size and orientation of the fiber determine a large part of the mechanical properties of the composite. We generally distinguish fibers depending on their size as Short Fibers (<25mm), Long Fibers (>25 and >=50mm) and continuous fibers. Given the proper adhesion between the reinforcing fiber and its matrix, the mechanical properties are mainly defined by the orientation of the fibers. Generally, composites exhibit anisotropic behavior. That is, its properties change depending on the direction of application of the load. It presents the highest possible strength and stiffness parallel to the fiber orientation. On the other hand, when working perpendicularly to this orientation, the properties of the composite may even be lower than those of the matrix.
[030] O processo de fabricação de materiais compósitos é dependente do tipo de reforço e da matriz. Existem diversas técnicas de processamento com suas vantagens e desvantagens, conforme Tabela 1 abaixo; Onde: 0: Baixo;1: intermediário; 2: alto; 3: altíssimo[030] The manufacturing process of composite materials is dependent on the type of reinforcement and matrix. There are several processing techniques with their advantages and disadvantages, as shown in Table 1 below; Where: 0: Low; 1: intermediate; 2: high; 3: very high
[031] A fim de fabricar componentes em compósitos, a grande flexibilidade de processamento e matérias primas deve ser levada em conta, visando atingir a desejada propriedade, custo, e produtividade para oferecer uma solução competitiva. O mercado de materiais compósitos reflete essa versatilidade. Dados de 2020 sugerem que o mercado global de materiais compósitos tenha um valor estimado em U$D 86,4 bilhóes, com crescimento estimado de 6.6% anuais até 2028. As principais indústrias consumidoras dessa demanda são a indústria automobilística e de transporte, energia eólica, aeroespacial e defesa, construção civil, naval, óleo e gás, entre outras. Dados da Grand View Research ilustram o mercado de compósitos em 2020.[031] In order to manufacture composite components, the great flexibility of processing and raw materials must be taken into account, aiming to achieve the desired property, cost, and productivity to offer a competitive solution. The composite materials market reflects this versatility. Data from 2020 suggests that the global market for composite materials has an estimated value of U$D 86.4 billion, with an estimated growth of 6.6% annually until 2028. The main industries consuming this demand are the automobile and transport industry, wind energy , aerospace and defense, civil construction, naval construction, oil and gas, among others. Data from Grand View Research illustrates the composites market in 2020.
[032] O setor de construção civil e infraestrutura tem mostrado um aumento no consumo de compósitos, bem como os bens de consumo, esporte e indústria biomédica.[032] The construction and infrastructure sector has shown an increase in the consumption of composites, as well as consumer goods, sports and the biomedical industry.
[033] Outro setor que constantemente tem exibido um aumento no consumo dessa classe de materiais é a indústria automobilística e de transporte. Além do uso tradicional em componentes de interior e exterior, devido à crescente demanda por veículos elétricos, a indústria busca soluções que reduzam o peso de seus componentes para permitir uma maior autonomia às suas baterias.[033] Another sector that has constantly shown an increase in the consumption of this class of materials is the automobile and transport industry. In addition to traditional use in interior and exterior components, due to the growing demand for electric vehicles, the industry is looking for solutions that reduce the weight of their components to allow their batteries to have greater autonomy.
[034] O desafio de substituir componentes tradicionalmente feitos em metais por materiais compósitos é motivado além da relação resistência/peso (chamada de peso específico) dos compósitos, esses materiais apresentam as seguintes propriedades que podem ser vantajosas nestes seguimentos, com: Baixo coeficiente de expansão térmica; Excelente estabilidade dimensional; Resistência à corrosão em ambientes agressivos; Alta resistência à impacto; Atenuação de som e ruido; e “Pintabilidade” (aceitação de tintas e pigmentos para acabamento classe A; entre outros.[034] The challenge of replacing components traditionally made from metals with composite materials is motivated by, in addition to the strength/weight ratio (called specific weight) of composites, these materials have the following properties that can be advantageous in these segments, with: Low coefficient of thermal expansion; Excellent dimensional stability; Corrosion resistance in aggressive environments; High impact resistance; Sound and noise attenuation; and “Paintability” (acceptance of paints and pigments for class A finishing; among others.
[035] As tendências de mercado indicam oportunidades para os materiais compósitos no mercado ferroviário, automobilístico e de caminhões, com a constante necessidade de redução de peso visando melhor desempenho de combustível, e viabilizar a autonomia de veículos elétricos. Tomando por exemplo, a indústria automobilística europeia, cuja participação de compósitos é estimada em 4,7 Bilhões de dólares em 2025 (Lucintel). Os principais componentes que aplicam materiais compósitos na indústria automobilística, e sua taxa de crescimento, são exemplificados na Figura 3.[035] Market trends indicate opportunities for composite materials in the railway, automobile and truck markets, with the constant need to reduce weight to improve fuel performance and enable the autonomy of electric vehicles. Taking for example the European automobile industry, whose share of composites is estimated at 4.7 billion dollars in 2025 (Lucintel). The main components that apply composite materials in the automotive industry, and their growth rate, are exemplified in Figure 3.
[036] Tomando como exemplo o mercado de veículos elétricos, há espaço para substituir componentes feitos em metal por materiais compósitos, caso as propriedades estruturais de um pré-impregnado fossem atingíveis por um compósito de maior produtividade e menor custo. A presente invenção propõe uma técnica que viabiliza essa categoria de materiais.[036] Taking the electric vehicle market as an example, there is room to replace components made of metal with composite materials, if the structural properties of a pre-preg were achievable by a composite with greater productivity and lower cost. The present invention proposes a technique that makes this category of materials viable.
[037] Além dos componentes de maior volume hoje, existe potencial para substituição de diversos componentes fabricados em ligas metálicas, conforme apresentado na Figura 4. Já no mercado de caminhões diversos componentes hoje já são fabricados em compósitos, como exemplificado na Figura 5.[037] In addition to the components with the largest volume today, there is potential for replacing several components manufactured in metallic alloys, as shown in Figure 4. In the truck market, several components today are manufactured in composites, as exemplified in Figure 5.
[038] Além dos componentes apresentados na imagem, hoje os defletores (parte superior) já são fabricados com a mesma tecnologia, e especialmente em caminhões elétricos, influenciados pela necessidade de redução de peso, existe um movimento de viabilizar componentes estruturais como as vigas dos chassis, feixes de mola, entre outros componentes estruturais, em materiais compósitos.[038] In addition to the components shown in the image, today the deflectors (upper part) are already manufactured with the same technology, and especially in electric trucks, influenced by the need to reduce weight, there is a movement to make structural components such as the beams of the chassis, spring beams, among other structural components, in composite materials.
[039] A constante busca pela redução de peso induziu o surgimento de uma classe de materiais com propriedades elevadas para substituir ligas metálicas em aplicações mais nobres, como peças estruturais de aeronaves. Tal classe é conhecida como compósitos avançados, que aliam a elevada resistência mecânica a propriedades como resistência à fadiga e corrosão, processabilidade e a possibilidade de se obter geometrias complexas. A Figura 6 apresenta o uso de materiais compósitos na aeronave EMB-170. A demanda é tão crescente nesse setor que o Boeing 787 possui 50% do seu peso em materiais compósitos, conforme ilustra a Figura 7.[039] The constant search for weight reduction led to the emergence of a class of materials with high properties to replace metallic alloys in more noble applications, such as aircraft structural parts. This class is known as advanced composites, which combine high mechanical resistance with properties such as resistance to fatigue and corrosion, processability and the possibility of obtaining complex geometries. Figure 6 shows the use of composite materials in the EMB-170 aircraft. Demand is so growing in this sector that the Boeing 787 has 50% of its weight in composite materials, as illustrated in Figure 7.
[040] As soluções mais antigas e baratas em questão de custo de matéria prima partem da laminação manual entre os componentes, e as soluções mais avançadas incluem o uso de fibras pré impregnadas e laminação automatizada, com diversas soluções intermediárias, porém todos com suas vantagens e desvantagens conforme informações abaixo;[040] The oldest and cheapest solutions in terms of raw material cost start from manual lamination between components, and the most advanced solutions include the use of pre-impregnated fibers and automated lamination, with several intermediate solutions, but all with their advantages and disadvantages as per information below;
[041] Na indústria de materiais compósitos, há um constante desenvolvimento das matrizes poliméricas, que evoluem atingindo novas características físico-químicas a cada dia. No que se refere à indústria têxtil, ou seja, aos reforços dos materiais compósitos, o estado da indústria se mantem quase constante, com pouca evolução ao longo das últimas décadas. A seleção do material para cada aplicação se resume às propriedades da resina/matriz, e ao trade off a ser avaliado para a seleção da produção.[041] In the composite materials industry, there is a constant development of polymeric matrices, which evolve, reaching new physicochemical characteristics every day. With regard to the textile industry, that is, the reinforcement of composite materials, the state of the industry remains almost constant, with little evolution over the last few decades. The selection of the material for each application comes down to the properties of the resin/matrix, and the trade off to be evaluated for production selection.
[042] Os principais pontos influenciados pela escolha do tipo de reforço a ser utilizado são:[042] The main points influenced by the choice of the type of reinforcement to be used are:
[043] A Rigidez e resistência mecânica. Essa propriedade é influenciada diretamente pelo paralelismo q tamanho das fibras de reforço. O caso ideal é todas as fibras contínuas e paralelas à direção da carga, o pior é todas as fibras curtas e aleatoriamente distribuídas;[043] Rigidity and mechanical resistance. This property is directly influenced by the parallelism q size of the reinforcement fibers. The ideal case is all fibers continuous and parallel to the load direction, the worst case is all fibers short and randomly distributed;
[044] A Resistência à fratura interlaminar. O cisalhamento interlaminar é a falha do material na região entre as camadas, onde elas são sobrepostas umas as outras. Essa propriedade é favorecida em compostos de fibras curtas onde não existe sobreposição de camadas, e prejudicada pela baixa processabilidade dos materiais, pois no caso de materiais laminados, quem dita a resistência à fratura interlaminar é o comportamento da RESINA da região. Onde o processamento é prejudicado, existe uma grande formação de vazios, que originam trincas nessa região;[044] Resistance to interlaminar fracture. Interlaminar shear is the failure of material in the region between layers, where they are superimposed on each other. This property is favored in short fiber composites where there is no layer overlap, and is hampered by the low processability of the materials, as in the case of laminated materials, what dictates the resistance to interlaminar fracture is the behavior of the RESIN in the region. Where processing is impaired, there is a large formation of voids, which cause cracks in this region;
[045] A Processabilidade em geometrias complexas. O caso ideal, é onde o compósito pode ser injetado ou moldado por compressão à quente e assume a forma do molde, e isso ocorre em compósitos de fibras curtas como BMC e SMC. No caso de laminação, seja de mantas não tecidas, de tecidos crimp ou non crimp (bidirecionais) pré impregnados ou não, ou unidirecionais, a processabilidade é relacionada às propriedades do reforço têxtil, sendo o melhor caso mantas não-tecidas, e o pior os laminados unidirecionais;[045] Processability in complex geometries. The ideal case is where the composite can be injected or molded by hot compression and takes the shape of the mold, and this occurs in short fiber composites such as BMC and SMC. In the case of lamination, whether of non-woven blankets, crimp or non-crimp fabrics (bidirectional) pre-impregnated or not, or unidirectional, the processability is related to the properties of the textile reinforcement, the best case being non-woven blankets, and the worst case unidirectional laminates;
[046] A Isotropia. A relação entre direção da aplicação da carga e a resistência do material é chamada de ISOTROPIA. Quanto mais independente da direção for a resistência, maior a isotropia. Essa propriedade é maior em compostos com fibras curtas e aleatórias, e menor em fibras unidirecionais; e[046] Isotropy. The relationship between the direction of load application and the resistance of the material is called ISOTROPY. The more independent of direction the resistance, the greater the isotropy. This property is greatest in compounds with short, random fibers, and lowest in unidirectional fibers; It is
[047] O Custo de material e produção. Em materiais compósitos, processos mais artesanais possuem um alto custo de produção, e um menor custo de material, como a impregnação manual seja com mantas, malhas, tecidos. O uso de pré impregnados aumenta a produtividade, porém é uma matéria prima de altíssimo custo hoje no mercado, seja tecido ou laminados unidirecionais.[047] The cost of material and production. In composite materials, more artisanal processes have a high production cost, and a lower material cost, such as manual impregnation whether with blankets, meshes, fabrics. The use of pre-impregnated materials increases productivity, but it is a very high-cost raw material on the market today, whether fabric or unidirectional laminates.
[048] Quanto aos principais pontos influenciados pela escolha do tipo de reforço, a invenção aqui proposta propõe:[048] Regarding the main points influenced by the choice of type of reinforcement, the invention proposed here proposes:
[049] Sobre a Rigidez e resistência mecânica, propõe a utilização de fibras contínuas, com paralelismo com controle de ângulos entre fibras engenheirado a fim de otimizar a aplicação de cada produto;[049] Regarding Rigidity and mechanical resistance, it proposes the use of continuous fibers, with parallelism with control of angles between engineered fibers in order to optimize the application of each product;
[050] Sobre a Resistência à fratura interlaminar, garante boa processabilidade em geometrias complexas, que favorece a resistência interlaminar;[050] Regarding Resistance to interlaminar fracture, it guarantees good processability in complex geometries, which favors interlaminar resistance;
[051] Sobre a Processabilidade em geometrias complexas, permite o direcionamento das fibras multidirecionais a fim de minimizar a força necessária para que haja fluxo, podendo ser posicionada em raios pequenos e formar materiais de alta complexidade, acima dos tecidos comuns bidirecionais;[051] About Processability in complex geometries, it allows the direction of multidirectional fibers in order to minimize the force necessary for flow, and can be positioned in small radii and form highly complex materials, above common bidirectional fabrics;
[052] Sobre a Isotropia, permite projetar a isotropia otimizada para a aplicação, pois as fibras de reforço são direcionadas exatamente para onde será aplicada carga; e[052] About Isotropy, it allows designing the optimized isotropy for the application, as the reinforcement fibers are directed exactly where the load will be applied; It is
[053] Sobre o Custo de material e produção, permite o uso de uma matéria prima de baixo custo similar ao SMC, com a processabilidade e propriedades do pré impregnado, sem a necessidade de implementar ferramentais de alto custo.[053] Regarding material and production costs, it allows the use of a low-cost raw material similar to SMC, with the processability and properties of pre-impregnated, without the need to implement high-cost tooling.
[054] Assim, além das propriedades acima mencionadas, a presente invenção apresenta resistência mecânica e rigidez similar à de pré impregnados, conhecidos no mercado.[054] Thus, in addition to the properties mentioned above, the present invention presents mechanical resistance and rigidity similar to that of pre-impregnated products known on the market.
[055] Para resolver os problemas citados acima, foi desenvolvida uma combinação entre formulação química e técnica de manufatura da matéria prima para se obter um pré- impregnado de fibras contínuas, podendo atingir altos teores de fibra (acima de 60%), fabricadas em processo automatizado para produtividade, reprodutível, que permita controle de parâmetros para se obter ângulos pré-determinados entre os reforços multidirecionais, resultando em um pré-impregnado moldável a pressões baixas e faixa de temperatura ampla (60°-180°C) de acordo com as propriedades desejadas para o compósito em questão.[055] To solve the problems mentioned above, a combination of chemical formulation and raw material manufacturing technique was developed to obtain a pre-impregnated with continuous fibers, which can reach high fiber contents (above 60%), manufactured in automated process for productivity, reproducible, which allows control of parameters to obtain pre-determined angles between multidirectional reinforcements, resulting in a moldable pre-preg at low pressures and a wide temperature range (60°-180°C) according to the desired properties for the composite in question.
[056] Assim, não é necessário o uso de ferramentais e moldes complexos para resistir à altas pressões, reduzindo o custo de operação, bem como a matéria prima é de baixo custo comparado aos tecidos pré impregnados.[056] Therefore, it is not necessary to use complex tooling and molds to resist high pressures, reducing operating costs, as well as the raw material is low cost compared to pre-impregnated fabrics.
[057] Para fabricar componentes onde a o requisito estrutural é alto, porém o uso dos compósitos de maior resistência mecânica é impossibilitado por questões operacionais ou comerciais (laminado unidirecional, laminação de pré-impregnados convencionais), a presente invenção possibilita uma alternativa nova para substituir o uso de metais nessas aplicações. Para aplicações onde um compósito tradicional atenderia, porém onde a demanda não justifica o uso de ferramentais de alto custo para atender aos requisitos de processamento de um pré-impregnado, ou infusão, a presente invenção permite atender aos requisitos estruturais e de baixo peso, sem a necessidade de ferramentais complexos Viabilizando técnica e comercialmente possibilidades onde antes um dos dois era limitante, a presente invenção abre portas para aplicar materiais compósitos em diversas novas oportunidades.[057] To manufacture components where the structural requirement is high, but the use of composites with greater mechanical resistance is impossible for operational or commercial reasons (unidirectional laminate, conventional pre-impregnated lamination), the present invention provides a new alternative to replace the use of metals in these applications. For applications where a traditional composite would serve, but where demand does not justify the use of high-cost tooling to meet the processing requirements of a pre-preg, or infusion, the present invention allows meeting the structural and low weight requirements, without the need for complex tooling By enabling technically and commercially possibilities where previously one of the two was limiting, the present invention opens doors to apply composite materials in several new opportunities.
[058] Sendo a invenção que permite o controle em variação de ângulos nas fibras contínuas multidirecionais, a invenção possibilita a fabricação de mantas pré impregnadas com ângulo das suas fibras de forma mais otimizada na sua resistência a tração de acordo com o cálculo estrutural do projetista do componente estrutural do compósito. A manta pode ser fabricada com espessura conforme desejado, seja para posterior laminação de camadas finas, ou em sobreposições de camadas de orientações quaisquer, na espessura final do produto a ser manufaturado, bem como qualquer combinação intermediária destas de acordo com a orientação do projetista/calculista estrutural.[058] Being the invention that allows the control of varying angles in multidirectional continuous fibers, the invention makes it possible to manufacture pre-impregnated blankets with a more optimized angle of their fibers in their tensile strength according to the designer's structural calculation of the structural component of the composite. The blanket can be manufactured with a thickness as desired, either for subsequent lamination of thin layers, or in overlapping layers of any orientation, in the final thickness of the product to be manufactured, as well as any intermediate combination of these according to the guidance of the designer/ structural calculator.
[059] Esta combinação de superposição de camadas, que permite o controle e obtenção de espessura desejável da manta, bem como ângulos dos filamentos controlados em cada camada sobreposta da manta na melhor direção dos esforços solicitantes, resulta nas mantas de fibras contínuas pré-impregnadas, multicamadas e multidirecionais com ângulo entre fibras controlável, objeto da presente invenção.[059] This combination of layer superposition, which allows control and obtaining desirable thickness of the blanket, as well as controlled filament angles in each overlapping layer of the blanket in the best direction of the stresses, results in pre-impregnated continuous fiber blankets , multilayer and multidirectional with controllable angle between fibers, object of the present invention.
[060] A composição da matriz desta manta pré-impregnada está formulada para adequar- se aos diversos processos de manufatura existentes no mercado, visando a simplificação e otimização do processo de fabricação de produtos com este material e consequente redução de custo final de peças e componentes fabricados com a Manta pré-impregnada multidirecional, além de viabilizar a aplicação de materiais compósitos em produtos com maior requisito estrutural.[060] The matrix composition of this pre-impregnated blanket is formulated to adapt to the various manufacturing processes on the market, aiming to simplify and optimize the manufacturing process of products with this material and consequently reduce the final cost of parts and components manufactured with multidirectional pre-impregnated blanket, in addition to enabling the application of composite materials in products with greater structural requirements.
[061] O pré-impregnado resultante pode ter suas propriedades mecânicas variáveis de acordo com o ângulo desejado entre os filamentos contínuos. Isso permite a seleção do ângulo apropriado para cada componente e suas respectivas solicitações de carga, resultando em uma estrutura otimizada que pode ter redução de espessura, peso e consumo de material para se obter resultados de um pré- impregnado de alto desempenho com baixo custo tanto de matéria prima quanto operacional. DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO[061] The resulting pre-preg can have its mechanical properties variable according to the desired angle between the continuous filaments. This allows the selection of the appropriate angle for each component and its respective load requests, resulting in an optimized structure that can reduce thickness, weight and material consumption to obtain results from a high-performance pre-impregnated product at low cost. of raw material and operational. DESCRIPTION OF THE INVENTION
[062] A presente invenção propõe a solução dos problemas mencionados através do processo de fabricação e das mantas com fibras multidirecionais impregnadas com matriz de compostos, cujo processo se inicia com a bobinagem filamentar contínua de um feixe de filamentos de fibras de reforço, ao redor de um mandril com geometria preferencialmente cilíndrica, passando por um banho de resina podendo conter aditivos e cargas, onde a combinação dos movimentos de rotação do mandril, diâmetro do mandril, passo (distância entre as bandas de fibra depositadas no mandril), largura da banda de fibra de reforço, e velocidade do cabeçote que deposita as fibras (carrinho) resultam em um ãngulo de enrolamento “o”. A combinação de movimentos resulta em um padrão de deposição de fibras sobre o mandril de forma que um ciclo resulte no cobrimento completo de uma secção pré-determinada do mandril, onde ao longo dessa secção existirá reforço depositado bidireccionalmente com ângulo de enrolamento o entre as fibras e o eixo central de rotação do mandril.[062] The present invention proposes the solution of the aforementioned problems through the manufacturing process and blankets with multidirectional fibers impregnated with a composite matrix, the process of which begins with the continuous filament winding of a bundle of reinforcing fiber filaments, around of a mandrel with preferably cylindrical geometry, passing through a resin bath that may contain additives and fillers, where the combination of rotational movements of the mandrel, mandrel diameter, pitch (distance between the fiber bands deposited in the mandrel), band width of reinforcing fiber, and speed of the head that deposits the fibers (trolley) result in a winding angle “o”. The combination of movements results in a pattern of fiber deposition on the mandrel in such a way that one cycle results in the complete coverage of a pre-determined section of the mandrel, where along this section there will be reinforcement deposited bidirectionally with a winding angle between the fibers. and the central axis of rotation of the chuck.
[063] O parâmetro variável e aqui de suma importância é o ângulo de enrolamento, que é determinado através do modelo matemático; α c o ângulo de enrolamento (em graus) Ntné a velocidade do mandril em RPM Vcé a velocidade linear do carrinho (polcgadas/scgundo) R é o raio do mandril (polegadas)[063] The variable and extremely important parameter here is the winding angle, which is determined through the mathematical model; α co winding angle (in degrees) Ntn is the speed of the mandrel in RPM Vcé the linear speed of the carriage (inches/second) R is the radius of the mandrel (inches)
[064] O Ângulo pode ser calculado de diferentes maneiras, relacionando estas variáveis e variáveis derivadas destas.[064] The Angle can be calculated in different ways, relating these variables and variables derived from them.
[065] Os filamentos de fibra de reforço devem ser impregnados na banheira de resina, onde tensão deve ser exercida de forma a auxiliar a vencer a tensão superficial das fibras, eliminando bolhas de ar e garantindo a molhabilidade, bem como o paralelismo entre os filamentos, em seguida passando por sistemas de raspagem que eliminam excesso de resina para ajudar a atingir o teor desejado de resina/fibra.[065] The reinforcing fiber filaments must be impregnated in the resin bath, where tension must be exerted in order to help overcome the surface tension of the fibers, eliminating air bubbles and ensuring wettability, as well as parallelism between the filaments , then passing through scraping systems that eliminate excess resin to help achieve the desired resin/fiber content.
[066] A viscosidade da solução de resina/aditivos/cargas, a temperatura e umidade ambientes e da banheira de resina, bem como a reatividade dos componentes são parâmetros controlados para garantir a molhabilidade e teor de resina desejados.[066] The viscosity of the resin solution/additives/fillers, the ambient and resin bath temperature and humidity, as well as the reactivity of the components are controlled parameters to ensure the desired wettability and resin content.
[067] Os filamentos molhados, na sequência são depositados através de um cabeçote ou carrinho móvel no eixo X, no mandril que é rotacionado no eixo o. A sincronização desses movimentos conforme citado acima garante a deposição uniforme dos filamentos no mandril.[067] The wet filaments are then deposited through a movable head or carriage on the X axis, on the mandrel that is rotated on the o axis. The synchronization of these movements as mentioned above guarantees uniform deposition of the filaments on the mandrel.
[068] O revestimento completo de uma secção pré-determinada do mandril consiste em uma camada. Podem ser laminadas camadas subsequentes, com ângulos de enrolamento distintos ou idênticos, resultando em um pré impregnado com maior espessura e bidirecional, unidirecional ou multidirecional, conforme desejado.[068] The complete coating of a predetermined section of the mandrel consists of one layer. Subsequent layers can be laminated, with different or identical winding angles, resulting in a pre-preg with greater thickness and bidirectional, unidirectional or multidirectional, as desired.
[069] A espessura da manta pré impregnada obtida é controlável, podendo variar de 0.3mm até a espessura final da peça a ser fabricada.[069] The thickness of the pre-impregnated blanket obtained is controllable, and can vary from 0.3mm to the final thickness of the part to be manufactured.
[070] Para que a combinação de resina e fibras de reforço constitua um pré-impregnado manufaturável, é preciso que haja uma etapa de espessamento.[070] In order for the combination of resin and reinforcing fibers to constitute a manufacturable pre-preg, there must be a thickening step.
[071] Procedendo-se o corte longitudinal ao molde, obtendo-se desta forma, uma manta retangular que terá uma dimensão num lado de a x Diâmetro e de outro o comprimento filamentado sobre o molde e a espessura de camadas desejada.[071] Proceeding with the longitudinal cut of the mold, thus obtaining a rectangular blanket that will have a dimension of a x Diameter on one side and the filament length on the mold and the desired layer thickness on the other.
[072] Para as formulações à base de resina poliéster insaturado e éster-vinílica, o espessamento é obtido através de óxidos e hidróxidos de metais alcalinos terrosos (Grupo II) em concentrações variando entre 0.01% e 5% em peso de resina, ou ainda espessamento com sistema à base de uretano. No caso de óxidos e hidróxidos, a velocidade de espessamento é influenciada também pela granulometria do óxido, sua reatividade e pureza. No caso de resina epóxi, o espessamento é obtido com endurecedores latentes até o alcance do estágio B de cura sendo resfriado posteriormente.[072] For formulations based on unsaturated polyester and vinyl ester resin, thickening is obtained through oxides and hydroxides of alkaline earth metals (Group II) in concentrations ranging between 0.01% and 5% by weight of resin, or even thickening with a urethane-based system. In the case of oxides and hydroxides, the thickening speed is also influenced by the particle size of the oxide, its reactivity and purity. In the case of epoxy resin, thickening is achieved with latent hardeners until stage B of curing is reached and subsequently cooled.
[073] No caso de resinas termoplásticas, o espessamento é físico e não químico, sendo necessário primeiro a fusão/amolecimento da resina em questão para a impregnação dos filamentos, com o resfriamento sendo responsável por aumentar a viscosidade e formar a manta pré impregnada.[073] In the case of thermoplastic resins, the thickening is physical and not chemical, first requiring the melting/softening of the resin in question to impregnate the filaments, with cooling being responsible for increasing the viscosity and forming the pre-impregnated blanket.
[074] Sem a adição da etapa de espessamento, o produto final não é possível. A Figura 13 ilustra o mecanismo de espessamento, que exige a presença de grupos ácidos na resina selecionada.[074] Without the addition of the thickening step, the final product is not possible. Figure 13 illustrates the thickening mechanism, which requires the presence of acidic groups in the selected resin.
[075] A literatura sugere que os íons de magnésio se ligam aos grupos ácido carboxílicos das moléculas de poliéster ou éster vinílica, de forma reversível através da formação de agregados iônicos. Essa interação resulta em aumentos de viscosidade da ordem de 106 Pa.s.[075] The literature suggests that magnesium ions bind to the carboxylic acid groups of polyester or vinyl ester molecules, reversibly through the formation of ionic aggregates. This interaction results in viscosity increases of the order of 106 Pa.s.
[076] Após a viscosidade atingir o valor desejável, onde é possível manipular o pré- impregnado sem danificar a posição das fibras de reforço, o material é removido do mandril e o ciclo pode ser repetido. O material a ser armazenado deve ser protegido com embalagens que sejam barreira de estireno, tal qual poliamida.[076] After the viscosity reaches the desirable value, where it is possible to manipulate the pre-impregnated without damaging the position of the reinforcing fibers, the material is removed from the mandrel and the cycle can be repeated. The material to be stored must be protected with packaging that has a styrene barrier, such as polyamide.
[077] A velocidade linear das fibras de reforço na banheira pode variar entre 0.1 e 1fl metros/segundo de acordo com a viscosidade da resina, condições ambientes, resistência à tração, sistemas de tensionamento e velocidade desejada de produção e espessamento. O mecanismo de imersão e controle de tensão e teor de resina é esquematizado na Figura 11.[077] The linear speed of the reinforcing fibers in the tub can vary between 0.1 and 1fl meters/second according to the viscosity of the resin, environmental conditions, tensile strength, tensioning systems and desired speed of production and thickening. The immersion and tension and resin content control mechanism is schematized in Figure 11.
[078] Camadas idênticas e bem definidas de uma lâmina a —o° e uma outra a + o ° devem ser enroladas em ciclos controlados. Desta forma, após cada ciclo, a banheira e o mandril voltam na mesma exata posição;[078] Identical and well-defined layers of a sheet at —o° and another at +o° must be rolled in controlled cycles. This way, after each cycle, the tub and chuck return to the same exact position;
[079] As lâminas a — o ° e a + o ° devem se construir concomitantemente para que existe um entrelaçamento entre as duas lâminas;[079] The blades a — o ° and a + o ° must be constructed concomitantly so that there is an intertwining between the two blades;
[080] Em cada ciclo, uma camada de duas lâminas cobre o mandril, sem falha nem sobreposição.[080] In each cycle, a layer of two blades covers the mandrel, without failure or overlap.
[081] Para atender a estes requisitos, deve-se aliar à equação de ângulo de enrolamento à uma relação de cruzamento adequada. Isto é referente à sequência de empilhamento de ‘laminas’ sequenciais. Apliquemos a variável Ww (Waywind) para nos referir ao cruzamento.[081] To meet these requirements, the winding angle equation must be combined with an appropriate crossing ratio. This refers to the stacking sequence of sequential ‘laminae’. Let us apply the variable Ww (Waywind) to refer to the intersection.
[082] O cruzamento Ww é deduzido pelo ângulo de enrolamento e sua função entre diàmetro do mandril e comprimento de enrolamento por: Tan(o) = L/(Ww.H.D).[082] The crossing Ww is deduced by the winding angle and its function between mandrel diameter and winding length by: Tan(o) = L/(Ww.H.D).
[083] O cruzamento é fundamental para garantir uma superior resistência transversal às fibras, evitando a falha por ruptura transversal. Uma vez atingido o produto, que é a manta de fibras contínuas pré-impregnadas, multicamadas e multidirecionais com ângulo entre fibras controlável, o material pode ser moldado em uma peça de material compósito por diversas técnicas tradicionais de conformação.[083] Crossing is essential to guarantee superior transverse resistance to the fibers, avoiding failure due to transverse rupture. Once the product is achieved, which is a blanket of pre-impregnated, multilayer and multidirectional continuous fibers with a controllable angle between fibers, the material can be molded into a piece of composite material using several traditional forming techniques.
[084] Para o processo de fabricação da manta de fibras contínuas pré-impregnadas, multicamadas e multidirecionais com ângulo entre fibras controlável, o tipo, combinação e quantidade de matérias primas que são utilizadas (conforme tabela de materiais) depende e varia conforme o objetivo final a ser atingido (temperatura e pressão de cura, teor de fibra e resina, requisitos de inflamabilidade, temperatura de aplicação, contato com químicos, etc). Mas de forma geral, todos seguem a mesma rotina de fabricação, compreendendo doze estapas pricipais, sendo estas: 1: Dosagem/pesagem dos componentes; 2: Posicionamento das pontas de roving na banheira do carrinho; 3: Adição e homogeneização das fases liquidas; 4: Adição e homogeneização das fases sólidas; 5: Adição da mistura final na banheira do carrinho; 6: Passagem das pontas de roving pela banheira, fieiras, e posicionamento no carrinho; 7: Início do ciclo de movimentos conforme pré-determinado por cálculo a fim de atingir o ângulo desejado; 8: Repetição de 1-7 até atingir a largura, espessura e padrão de trançamento desejados; 9: Cortar as pontas de roving e manter o mandril em rotação pelo tempo suficiente para a reação de espessamento iniciar, e elevar a viscosidade até o ponto onde a resina não se separe mais das fibras; 10: Cortar o pré impregnado nas secções que desejar (exemplo: mantas de lmetro x 1 metro). 11: Enrolar o produto final em plástico barreira de estireno (exemplo: Poliamida); e 12: Armazenar o produto à temperatura ambiente até sua conformação. Conforme ilustrado na Figura 11 e 14.[084] For the manufacturing process of the pre-impregnated, multilayer and multidirectional continuous fiber blanket with controllable angle between fibers, the type, combination and quantity of raw materials that are used (according to the table of materials) depends and varies according to the objective end to be achieved (curing temperature and pressure, fiber and resin content, flammability requirements, application temperature, contact with chemicals, etc.). But in general, everyone follows the same manufacturing routine, comprising twelve main steps, which are: 1: Dosing/weighing of components; 2: Positioning the roving tips in the cart tub; 3: Addition and homogenization of liquid phases; 4: Addition and homogenization of solid phases; 5: Addition of the final mixture to the cart tub; 6: Passage of the roving tips through the tub, spinnerets, and positioning on the cart; 7: Start of the movement cycle as pre-determined by calculation in order to reach the desired angle; 8: Repeat 1-7 until desired width, thickness and braiding pattern is achieved; 9: Cut the roving ends and keep the mandrel rotating long enough for the thickening reaction to begin, and increase the viscosity to the point where the resin no longer separates from the fibers; 10: Cut the pre-impregnated material into the desired sections (example: 1 meter x 1 meter blankets). 11: Wrap the final product in styrene barrier plastic (example: Polyamide); and 12: Store the product at room temperature until it is formed. As illustrated in Figure 11 and 14.
[085] O tipo, combinação e quantidade de matérias primas que são utilizadas (conforme tabela de materiais) depende e varia conforme o objetivo final a ser atingido (temperatura e pressão de cura, teor de fibra e resina, requisitos de inflamabilidade, temperatura de aplicação, contato com químicos, etc).[085] The type, combination and quantity of raw materials that are used (according to the table of materials) depends and varies according to the final objective to be achieved (curing temperature and pressure, fiber and resin content, flammability requirements, temperature of application, contact with chemicals, etc.).
[086] A seleção da resina deve levar em conta as propriedades finais, uma vez que comercialmente existem centenas de resinas de diferentes propriedades. Deve-se considerar a estrutura da resina com base nos seus precursores, por exemplo;[086] The selection of the resin must take into account the final properties, since there are hundreds of resins with different properties commercially. The structure of the resin must be considered based on its precursors, for example;
[087] Os precursores na primeira coluna da Tabela 2, conferem à resina poliéster insaturado final a propriedade da segunda coluna: Tabela 2 [087] The precursors in the first column of Table 2 give the final unsaturated polyester resin the property of the second column: Table 2
[088] A composição do poliéster insaturado selecionado se dará independente dos precursores, contendo pelo menos um poliol (exemplo azul, propilenoglicol) e um ácido (exemplo amarelo, ácido ftálico). O monômero de estireno atua tanto como solvente redutor de viscosidade, quanto promotor de cura (vermelho, monômero de estireno).[088] The composition of the selected unsaturated polyester will be independent of the precursors, containing at least one polyol (blue example, propylene glycol) and one acid (yellow example, phthalic acid). Styrene monomer acts as both a viscosity reducing solvent and curing promoter (red, styrene monomer).
[089] Os precursores serão responsáveis por promover as informações da Tabela 3 abaixo, que são essenciais para se atingir um espessamento adequado, e ao mesmo tempo garantir uma molhabilidade apropriada.[089] The precursors will be responsible for promoting the information in Table 3 below, which is essential to achieve adequate thickening, and at the same time ensure appropriate wettability.
[090] A acidez está diretamente ligada tanto à velocidade de espessamento, quanto à viscosidade final do produto, bem como o seu peso molecular. Tabela 3 [090] Acidity is directly linked to both the thickening speed and the final viscosity of the product, as well as its molecular weight. Table 3
[091] O mesmo se aplica para resinas éster vinílicas, ressaltando a necessidade da presença de grupos ácidos para atingir ao objetivo da invenção.[091] The same applies to vinyl ester resins, highlighting the need for the presence of acidic groups to achieve the objective of the invention.
[092] A seleção do sistema de impregnação é baseada na necessidade do produto de atender ou não a espessuras constantes e sua tolerância, bem como na velocidade de espessamento, viscosidade e produtividade necessária.[092] The selection of the impregnation system is based on the product's need to meet or not meet constant thicknesses and their tolerance, as well as the thickening speed, viscosity and required productivity.
[093] Os aditivos para as resinas incluem os agentes de: o Agente de cura, que promove a reticulação/cura seja a temperatura ambiente ou elevada; o Inibidor que atrasa a reação de reticulação/cura modificando a janela de processamento; os Agentes tixotrópicos de Controle de fluxo e escorrimento; as argas de enchimento que promovem a Redução de custo, redução de contração durante a cura, e retardam a propagação de chamas; os Pigmentos para Conferir coloração desejada; o Agente de espessamento que Confere ao composto a consistência desejada para ser manipulada; o Reforço de fibra que eleva as propriedades mecânicas; os Agentes de molhamento que Facilitam a molhabilidade das fibras de reforço pela resina; o Agente tensoativo para Redução de bolhas presas na resina; o Agente desmoldante que Facilita a remoção do compósito moldado do molde de fabricação; e o Aditivo Low Profile para a dispersão de termoplástico ou elastômero em solvente que atua também como agente de reticulação, conferindo menor contração de cura e melhor acabamento superficial do produto moldado.[093] Additives for resins include agents: o Curing agent, which promotes crosslinking/curing whether at room or elevated temperature; o Inhibitor that delays the crosslinking/curing reaction by modifying the processing window; thixotropic flow and runoff control agents; filling clays that promote cost reduction, reduce shrinkage during curing, and delay the spread of flames; Pigments to provide desired color; o Thickening agent that gives the compound the desired consistency to be manipulated; o Fiber reinforcement that increases mechanical properties; wetting agents that facilitate the wetting of reinforcing fibers by the resin; o Surfactant agent to reduce bubbles trapped in the resin; o Release agent that facilitates the removal of the molded composite from the manufacturing mold; and the Low Profile Additive for the dispersion of thermoplastic or elastomer in solvent, which also acts as a crosslinking agent, providing less curing contraction and a better surface finish of the molded product.
[094] Um exemplo de composição utilizada na invenção esta mosytrado na Tabela 4. Tabela 4 [094] An example of the composition used in the invention is shown in Table 4. Table 4
[095] Assim, pelas características de configuração e funcionamento, e pelas vantagens acima descritas, pode-se notar claramente que as MANTAS DE FIBRAS CONTÍNUAS PRÉ-IMPREGNADAS, MULTICAMADAS E MULTIDIRECIONAIS COM ÂNGULO ENTRE FIBRAS CONTROLÁVEL E SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO, tratam-se um objeto, produto versatil e processo de fabricação novos para o Estado da Técnica os quais revestem-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Invenção.[095] Therefore, due to the configuration and operation characteristics, and the advantages described above, it can be clearly noted that the PRE-IMPREGNATED, MULTI-LAYER AND MULTIDIRECTIONAL CONTINUOUS FIBER BLANKETS WITH CONTROLLABLE ANGLE BETWEEN FIBERS AND THEIR MANUFACTURING PROCESS, are an object, versatile product and manufacturing process new to the State of the Art which are covered by unprecedented conditions of innovation, inventive activity and industrialization, which make it deserve the Invention Patent Privilege.
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