ES2205923T3 - Formacion de componentes reforzados. - Google Patents

Abstract

Un método para formar un artículo (20) de material compuesto multicapa sustancialmente plano que comprende un material plástico reforzado con fibras que se extienden de modo sustancialmente continuo en una dirección (B) en el plano de cada capa, en el que una mayoría de las capas están alineadas en una dirección principal (B), en el que el artículo está dispuesto con uno de sus bordes situado sobre una superficie contorneada de una herramienta de formación (6), caracterizado porque el artículo (20) está restringido contra movimiento en una dirección sustancialmente perpendicular al plano de dichas capas en una dirección principal, en el que se aplica fuerza al artículo en su plano en una dirección sustancialmente perpendicular a dicha dirección principal de dichas fibras y hacia la herramienta de formación (6), para empujar por ello dicho borde del artículo (20) en conformidad con la superficie contorneada de la herramienta (6), al tiempo que se mantiene sustancialmente la continuidad de dichas fibras.

Description

Formación de componentes reforzados.

Esta invención se refiere a la formación de componentes de refuerzo, y en particular a la formación de un artículo de plástico reforzado con fibra de material compuesto para adaptarse a una superficie contorneada.

Los artículos formados de acuerdo con la presente invención tienen una variedad de aplicaciones, pero sólo a modo de ejemplo, y sin limitación a la generalidad, se hará referencia a la formación de componentes de refuerzo usados en la industria aeronáutica, por ejemplo, en secciones de larguerillos de avión.

Cuando se forman tales componentes, a fin de maximizar su efecto estructural, es deseable asegurar que las fibras del componente siguen sus contornos tan estrechamente como sea posible. Tal componente puede ser producido laminando manualmente una sucesión de capas de material preimpregnado (con resina) a fin de formar un apilamiento multicapa, pero esto consume mucho tiempo. Material "preimpregnado (con resina)" consiste en una o más capas de material de refuerzo de Jibson preimpregnado con resina no curada o material de matriz similar.

Se conoce cómo formar un apilamiento grueso de material preimpregnado con resina no curada para proporcionar refuerzo en una dirección. Como se puede ver de la figura 1 de los dibujos que se acompañan, una lámina 2 plana de material preimpregnado con resina no curada que tiene una gran pluralidad de fibras de carbono embebidas en resina epoxídica, con las fibras alineadas en la dirección de la flecha A, ha sido formada en una curva a 90º sobre el borde de una herramienta de formación 4. De este modo, se hace un rigidizador en L, y se puede prever que con una lámina mayor de material preimpregnado con resina se podrían hacer dos curvas, a fin de proporcionar una sección de canal, extendiéndose sus fibras unidireccionalmente. Tal método se describe en Gutowski et al., titulado "Differential geometry and the forming of aligned fibre composites" ("Geometría diferencial y la formación de materiales compuestos de fibras alineadas"), Composites Manufacturing, vol. 2, número 3/4, 1991.

Sin embargo, la formación de un componente usando métodos de esta clase tiene la desventaja de que no se puede utilizar cuando está contorneada la superficie a la que se tiene que adaptar el artículo, por ejemplo, que contiene un empalme o una rampa, o que es ondulada. Tales propiedades geométricas introducen desviaciones en la trayectoria de las fibras, que, en vez de seguir el contorno, fluyen alrededor del radio de la curva (véase la figura 2), y ya no están, así, alineadas apropiadamente en la dirección de carga-apoyo requerida. El efecto de refuerzo no es, por consiguiente, tan eficiente.

Alternativamente, el corte de una pieza elemental conformada de manera que consigue buena conformidad con la superficie contorneada subyacente da como resultado que sean cortadas la fibras de carga-apoyo. La figura 2 de los dibujos que se acompañan muestra una herramienta de formación 6 que es una modificación de la herramienta 4 de la figura 1, porque su superficie superior está provista de una rampa 8. La figura 3 muestra una pieza elemental 10 rectangular que ha sido sometida a dos cortes a lo largo de líneas de recorte 12 y 14, a fin de conseguir la conformidad no sólo con la curva a 90º sino también a lo largo de la rampa 8 de la figura 2.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un método de formación mejorado.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se ha previsto un método para formar un artículo de material compuesto multicapa sustancialmente plano que comprende un material plástico reforzado con fibras que se extienden de modo sustancialmente continuo en una dirección en el plano de cada capa, en el que una mayoría de las capas están alineadas en una dirección principal, en el que el artículo está dispuesto con uno de sus bordes situado sobre una superficie contorneada de una herramienta de formación, en el que el artículo está restringido contra movimiento en una dirección sustancialmente perpendicular al plano de dichas capas en una dirección principal, en el que se aplica fuerza al artículo en su plano en una dirección sustancialmente perpendicular a dicha dirección principal de dichas fibras y hacia la herramienta de formación, para empujar por ello dicho borde el artículo en conformidad con la superficie contorneada de la herramienta al tiempo que se mantiene sustancialmente la continuidad de dichas fibras.

Dependiendo de la viscosidad de la resina del artículo de material compuesto, se puede tener que aplicar calor al mismo a fin de asegurar que las capas, o estratificados, sean capaces de deslizar entre sí.

Típicamente, aunque las fibras dentro de cada capa están alineadas de modo sustancialmente unidireccional, no todas las capas estarán alineadas. La alineación real de la pluralidad de capas depende de los requisitos de carga estructural, de la tensión y torsión, por ejemplo. Normalmente, una mayoría de las fibras y de las capas están alineadas en una dirección principal para refuerzo, denominada la dirección a 0º. Otras capas diversas pueden estar alineadas entonces a 45º, 190º y 135º a la misma, según se requiera. Por ejemplo, el 50% de las capas/fibras puede estar en la dirección principal a 0º, con el 20% de cada a 45º y a 135º, y el 10% a 90º.

La invención da como resultado, así, un artículo de material compuesto que está contorneado, por ejemplo, para adaptarse al conformado de un empalme o rampa, sin que sea cortada ninguna de las fibras en dicha dirección de carga-apoyo. El contorneo se ha efectuado aplicando una fuerza al artículo plano al tiempo que se impide simultáneamente su pandeo.

Preferiblemente, el artículo está restringido al ser cargado a un soporte que permite flexibilidad en una dirección para conseguir el contorneo requerido, pero que es rígido en una dirección perpendicular a la anterior.

Ventajosamente, el soporte puede comprender un material elastómero reforzado con varillas rígidas separadas, de aluminio o de acero, por ejemplo.

El soporte está montado, preferiblemente, en un armazón rígido que está situado alrededor de la herramienta de formación y que está dispuesto para guiar el artículo en una dirección hacia la superficie contorneada durante el procedimiento de formación.

La fuerza puede ser proporcionada por una prensa que actúa sobre un borde del artículo plano. Alternativamente, el artículo, la herramienta, el armazón y el soporte pueden estar situados en un recinto cerrado que luego se evacúa.

El artículo contorneado de refuerzo plano así producido puede ser sometido a una operación adicional de formación en la que se aplica de nuevo calor al mismo y se aplica una fuerza para efectuar su formación adicional. Por ejemplo, la operación de formación adicional se puede disponer para producir un pliegue alrededor de una línea en la superficie plana del artículo, extendiéndose la línea, preferiblemente, sustancialmente paralela a la dirección de dichas fibras, produciendo, así, un artículo en L. Una operación adicional de formación se puede disponer para producir un artículo en forma de canal o en una de cualquiera de las formas deseadas.

Así, la presente invención proporciona un método para formar un artículo de material compuesto multicapa sustancialmente plano tal que sea capaz de adaptarse a un sustrato que comprende tres superficies contiguas, cada una de las cuales está en ángulo, es decir, se encuentra a un ángulo distinto de 0º respecto a las otras dos superficies. Las superficies pueden ser generalmente planas pero pueden ser, por ejemplo, con circunvoluciones, y pueden comprender una rampa o un empalme.

El material plástico del artículo puede ser termoplástico. Alternativamente, el material plástico puede ser curable, por ejemplo, al ser un plástico termoestable, siendo efectuado el curado después de que se ha completado su formación.

Las fibras de refuerzo pueden ser de carbono, de aramida o de vidrio, por ejemplo.

Se ha de entender que aunque se ha hecho referencia a direcciones con respecto a la orientación de las fibras continuas en el plano del artículo, éste, de material compuesto, puede incluir fibras en capas en otros ángulos diversos respecto a esta dirección de carga-apoyo principal.

El método de la presente invención encuentra particular aplicación para un artículo de material compuesto multicapa, debido a su rigidez aumentada con respecto a un artículo de una única capa relativamente flexible. Así, el artículo para el que la presente invención es particularmente beneficiosa se prevé que comprenda al menos dos capas, cada una de las cuales estaría, típicamente, entre 0,125 y 0,25 mm de grosor, y tendría, típicamente, un mínimo de 8 capas, proporcionando, así, un grosor de 2 a 3 mm, y puede incluso estar formada como un apilamiento de 5 mm de grosor de 20 capas, o más. Se apreciará que el número de capas y, así, el grosor del artículo dependerá de la carga a la que hubiera de estar sometido, en uso.

De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, se ha previsto un aparato para formar un artículo de material compuesto multicapa sustancialmente plano, que comprende medios para restringir el artículo en una dirección sustancialmente perpendicular a su plano, medios para montar el artículo sobre una superficie contorneada a la que se ha de adaptar y medios para aplicar una fuerza en una dirección en el plano del artículo, para empujar el artículo en conformidad con la superficie contorneada.

El aparato está dispuesto, preferiblemente, para llevar a acabo las propiedades del método de la invención.

Un método para formar un artículo de material compuesto multicapa, de acuerdo con la presente invención, se describirá ahora, a modo de ejemplo, con referencia a las figuras 4 a 9 de los dibujos que se acompañan, en los que:

la figura 4 es una vista en perspectiva parcialmente recortada de un soporte flexible con una pieza elemental de preforma del artículo parcialmente insertada en él;

la figura 5 es una vista de un extremo del soporte de la figura 4 antes de su cierre;

la figura 6 es una vista desde un extremo del artículo soportado de la figura 4 retenido dentro de un armazón rígido, montado en una herramienta de formación y encerrado dentro de una bolsa al vacío;

la figura 7 es una vista en perspectiva correspondiente a la Figura 6;

la figura 8 es una vista en planta de la preforma con posterioridad a una primera operación de formación; y

la figura 9 es una vista en perspectiva del artículo acabado en una herramienta de formación después de experimentar una operación adicional de formación.

Haciendo referencia a las figuras 4 y 5, una pieza elemental 20 de preforma multicapa comprende un cuerpo plano rectangular de resina epoxídica que contiene fibras de carbono, en el que una mayoría de las capas y fibras se extienden a lo largo de la dirección B continuamente desde un extremo hasta su otro extremo. La pieza elemental 20 se muestra siendo introducida en un soporte 22 flexible que está formado de caucho y que tiene varillas de rigidización 27 de acero inoxidable embebidas en él. El soporte 22 está en dos partes, comprendiendo una sección 24 de canal de tres lados y una cubierta 26 que se puede retirar, cada una de las cuales tiene varillas 27 correspondientemente conformadas embebidas en él. Adicionalmente, como se puede ver en la figura 5, la cubierta 26 tiene, en cada uno de sus extremos, un saliente 28 que está dispuesto para apretar la pieza elemental 20 en su extremo cuando está completamente cargada en la sección 24 de canal del soporte 22.

Haciendo referencia a las figuras 6 y 7, la pieza elemental 20 de preforma, montada en el soporte 22 flexible está apretada a lo largo de su longitud y sólo sobre una porción intermedia de su altura entre dos miembros de armazón 30 de aluminio rígidos. Los miembros de armazón 30 sitúan la pieza elemental 20 soportada sobre la superficie contorneada superior de la herramienta de formación 6. Los armazones 30 actúan junto con los rigidizadores 27 del soporte 22 para impedir cualquier deformación sustancial de la pieza elemental 20 en una dirección perpendicular a su plano vertical, al tiempo que permiten que el soporte 22 reforzado que contiene la pieza elemental 20 sea guiado en el plano vertical. La pieza elemental 20, el soporte 22 y los armazones 30 están encerrados dentro de una bolsa 32 al vacío (figura 6).

En funcionamiento, se bombea hacia fuera el aire dentro de la bolsa 32, ejerciendo por ello una carga verticalmente hacia abajo sobre la porción superior expuesta de la pieza elemental 20 dentro del soporte 22. Al mismo tiempo, se aplica calor para ablandar el material curable de la pieza elemental 20, cuya porción inferior expuesta por consiguiente, y junto con el soporte 22, es forzada en conformidad con el contorno superior en rampa de la herramienta de formación 6. El vacío se mantiene dentro de la bolsa 32 si bien se permite que la pieza elemental 20 se enfríe y, así, se solidifique a su forma adaptada. El componente 20a plano resultante, después de retirado del soporte 22 deformado, se muestra en la figura 8. Como se puede ver de la figura 8, el componente 20a está conformado para configurar a la rampa 8 con las fibras unidireccionales que se extienden continuamente en la dirección

\hbox{ B.}

La figura 9 muestra una operación adicional de formación que se puede llevar a cabo sobre el componente 20a, por la que su superficie plana es formada en ángulo recto, al tiempo que todavía se adapta a la rampa 8 de la herramienta de formación 6. Esta operación se lleva a cabo mientras se aplica calentamiento aumentado al componente 20a, al tiempo que todavía se somete a vacío o a otra fuerza de deformación, por la que es ablandado para permitir que el ángulo a 90º se forme en él, y está sometido a tal temperatura que su material epoxídico se cura. Alternativamente, se puede llevar a cabo el curado durante una operación posterior, por ejemplo, cuando el componente de forro principal, con el que está asociado el artículo, se cura por sí mismo.

El artículo resultante se extiende, así, en tres planos que están en ángulo entre sí, y se mantiene la continuidad de las fibras unidireccionales de carga-apoyo.

Se apreciará que por elección adecuada de la herramienta de formación, la pieza elemental de preforma inicial puede ser formada con cualquier configuración requerida a fin de que durante la operación inicial de formación para adaptarse a una rampa, a un empalme o a otra perturbación respecto a un plano, al tiempo que se mantiene la continuidad de las fibras en la dirección de carga-apoyo requerida. Puede tener lugar entonces formación adicional para proporcionar, por ejemplo, un miembro de sección en L o C. El componente resultante se puede retirar entonces de la herramienta de formación y aplicar, como refuerzo, al miembro estructural requerido, por ejemplo, a una sección de un larguerillo de avión.

Claims (14)

1. Un método para formar un artículo (20) de material compuesto multicapa sustancialmente plano que comprende un material plástico reforzado con fibras que se extienden de modo sustancialmente continuo en una dirección (B) en el plano de cada capa, en el que una mayoría de las capas están alineadas en una dirección principal (B), en el que el artículo está dispuesto con uno de sus bordes situado sobre una superficie contorneada de una herramienta de formación (6), caracterizado porque el artículo (20) está restringido contra movimiento en una dirección sustancialmente perpendicular al plano de dichas capas en una dirección principal, en el que se aplica fuerza al artículo en su plano en una dirección sustancialmente perpendicular a dicha dirección principal de dichas fibras y hacia la herramienta de formación (6), para empujar por ello dicho borde del artículo (20) en conformidad con la superficie contorneada de la herramienta (6), al tiempo que se mantiene sustancialmente la continuidad de dichas fibras.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que se lleva a cabo la restricción del artículo montándolo en un soporte (22) flexible que está reforzado en, o es paralelo a, el plano de dicha dirección principal (B) del artículo (20).

3. Un método según la reivindicación 2, en el que el soporte (22) comprende un material elastómero reforzado con varillas (27) rígidas separadas.

4. Un método según la reivindicación 2 ó 3, en el que el soporte tiene la forma de un recipiente (22) que recibe el artículo plano.

5. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que el refuerzo está dispuesto sustancialmente para impedir el movimiento del artículo (20) en dicha dirección principal (B) de dichas fibras.

6. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el soporte está montado en un armazón (30) rígido situado alrededor de la herramienta de formación (6) y está dispuesto para guiar el artículo (20) en una dirección hacia la superficie contorneada de la herramienta de formación (6) bajo la acción de dicha fuerza.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la fuerza que actúa sobre el artículo es producida por medio de una prensa o un vacío.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que con posterioridad a dicha operación de adaptación, se lleva a cabo una operación adicional de formación, por la que se calienta el artículo (20) y se aplica fuerza al mismo, de manera que es plegado alrededor de una línea en su superficie plana que se extiende sustancialmente paralela a dicha dirección principal (B) de dichas fibras.

9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material plástico del artículo (20) es curable, y se cura después de que se ha completado su formación.

10. Un método según la reivindicación 9, cuando sea dependiente de la reivindicación 8, en el que el material plástico comprende un plástico termoestable, y en el que se aplica suficiente calor, sólo durante la operación adicional de formación, para efectuar su curado.

11. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el artículo (20) comprende un material plástico reforzado con fibra de carbono o de vidrio, y está formado como un miembro de refuerzo estructural con dichas fibras en la dirección principal (B) alineadas en su dirección de carga-apoyo principal.

12. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el contorneo de la herramienta de formación (6) está dispuesto para permitir que el artículo formado se adapte a un empalme o a una rampa (8).

13. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el artículo es ablandado por la aplicación de calor antes de aplicar dicha fuerza al mismo.

14. Un artículo (20) de material compuesto multicapa sustancialmente plano obtenible por el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.