ES2289653T3 - Metodo para fabricar vigas estructurales de material compuesto para aviones. - Google Patents

Metodo para fabricar vigas estructurales de material compuesto para aviones. Download PDF

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Abstract

Un método para fabricar una viga de material compuesto basado en fibra de carbono para la construcción de aviones, comprendiendo la viga capas de esterillado de fibra de carbono preimpregnadas con resina, comprendiendo el método los pasos de: a) superponer en un plano (B) de soporte una pluralidad de esterillas (20) de fibra de carbono preimpregnadas con resina como para obtener al menos un primer estratificado plano (13); b) cortar al menos un borde (13a, 14a) del estratificado plano en un ángulo predeterminado de corte diferente de 90º con respecto al plano (B) de soporte de la esterilla (20); c) colocar el estratificado plano en una herramienta (F1) de conformado; d) conformar en caliente el estratificado como para copiar la forma de la herramienta de dar forma, doblando al menos una parte del estratificado delimitada por dicho borde cortado (13a, 14a) de tal manera que dicho borde cortado (13a, 14a), al final del paso de doblado, define una superficie orientada de manera substancialmente perpendicular con respecto a dicha parte doblada (13b, 14b); e) aplicar temperatura y presión de tal manera que se polimeriza la resina contenida en las capas (20) de esterillado; en el que el paso c) incluye el paso de: - colocar una esterilla (P) de fibra de vidrio, que reviste también dicho borde cortado (13a, 14a), entre la herramienta (F1) de conformado y el estratificado que hay que polimerizar de tal manera que se cubren las superficies del estratificado destinadas a constituir las superficies exteriores de la viga acabada.

Description

Método para fabricar vigas estructurales de material compuesto para aviones.
La presente invención se refiere a un método para fabricar vigas de material compuesto basado en fibra de carbono para la construcción de aviones de acuerdo con la reivindicación 1.
En el campo de la construcción de aviones, hasta ahora, el método usado para la fabricación de elementos estructurales de dicho tipo ha comprendido la estratificación o depósito de esterillado de fibra de carbono preimpregnado con resina en un molde. Las esterillas son demasiado grandes con respecto a las dimensiones finales de la viga que se va a formar. Después de una fase de polimerización en un autoclave, se obtiene una viga cuyos bordes deben ser recortados subsiguientemente por medio de una cortadora. Después, los bordes cortados deben volver a ser cubiertos asegurando una tela o revestimiento de fibra de vidrio con un adhesivo para evitar que los bordes cortados puedan iniciar el fenómeno de la corrosión, particularmente por la humedad en presencia de bajas temperaturas.
En muchas aplicaciones en el campo de la aeronáutica, se requiere, por razones estructurales, que el alma de la viga tenga algunas regiones de refuerzo engrosadas localmente. Para conseguir estos refuerzos, los duplicadores se fabrican por separado por medio de estratificación de fibras de carbono preimpregnadas con resina. Estos refuerzos se polimerizan por separado y después se cortan hasta su forma con una fresadora, obteniendo así una serie de duplicadores (por ejemplo de forma tronco-piramidal aplanada) que se aseguran finalmente por medio de un adhesivo sobre uno o ambos lados del alma de la viga.
El documento US-A-5954898 divulga un método para fabricar una viga de material compuesto basada en fibra de carbono para la construcción de aviones, comprendiendo el método los pasos de:
superponer en un plano de soporte una pluralidad de capas compuestas preimpregnadas para obtener un primer estratificado plano;
cortar al menos un borde del estratificado plano en un ángulo predeterminado de corte diferente de 90º con respecto al plano de soporte del estratificado;
colocar el estratificado plano en una herramienta de conformado;
conformar en caliente el estratificado para copiar la forma de la herramienta de dar forma, doblando al menos una parte del estratificado delimitada por dicho borde cortado de tal manera que dicho borde cortado, al final del paso de doblado, define una superficie orientada de manera substancialmente perpendicular con respecto a dicha parte doblada;
aplicar temperatura y presión de tal manera que se polimeriza la resina contenida en los estratificados.
La presente invención busca conseguir el objeto de proporcionar un método para fabricar elementos estructurales alargados del tipo especificado antes, principalmente abordando el problema de reducir el tiempo, el coste y el número de etapas en el proceso de fabricación. En particular, se desea reducir el número de polimerizaciones en autoclaves, eliminar las operaciones tradicionales de recortar o cortar los bordes y la subsiguiente fase final de aplicación de revestimiento de fibra de vidrio sobre los bordes cortados.
Otro objeto de la invención es reducir la cantidad de cimiento necesario para el corte tradicional de los bordes, así como el coste de la mano de obra para la aplicación final del revestimiento de fibra de vidrio.
Un objeto adicional de la invención es producir elementos estructurales monolíticos que tienen una resistencia estructural mayor que los obtenidos por medio del proceso de fabricación tradicional del que se ha hablado antes.
Estos y otros objetos y ventajas que se entenderán mejor en lo sucesivo se consiguen de acuerdo con la presente invención mediante un método como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Una realización preferida, pero no limitativa, de la invención será descrita ahora haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una vista en corte transversal que ilustra esquemáticamente los componentes principales de una viga formada de acuerdo con la invención;
la figura 2 es una vista en perspectiva que muestra esquemáticamente una etapa de corte del método de la invención;
las figuras 3, 4 y 5 ilustran esquemáticamente las etapas de conformado y de ensamblaje de las piezas iniciales de las que la viga de la figura 1 va a estar compuesta;
la figura 3A es una vista a escala ampliada de un detalle de la figura 3;
\newpage
la figura 6 ilustra una etapa subsiguiente de curado en un autoclave con una bolsa de vacío aplicada en una serie de herramientas de conformado del tipo ilustrado en las figuras 4 y 5; y
la figura 7 es una vista en corte transversal de la viga acabada.
En el ejemplo ilustrado y descrito aquí se refiere a la fabricación de una viga como se ilustra esquemáticamente en el corte de la figura 1, que tiene una sección substancialmente de I o H o "doble T" con engrosamientos o refuerzos locales en una o ambas caras del alma, destinada a soportar la llamado "cubierta superior" de un avión. Claramente, la referencia a este posible campo de aplicación no debe ser interpretada en modo alguno como limitación del alcance de la patente.
Con referencia a la figura 1, el número de referencia 10 indica generalmente una viga de doble T con refuerzos locales 11 en una de las caras del alma 12. Estos refuerzos (solo uno de los cuales es visible en corte en la figura 1) están espaciados longitudinalmente a lo largo del alma como es conocido para los expertos en la técnica. La viga 10 se obtiene de la unión de diversos elementos de pieza inicial que después se curan en una sola fase de curado en un autoclave como se describió antes. Estos elementos de pieza inicial comprenden: dos elementos 13, 14 con forma de C contrapuestos uno con respecto al otro que juntos constituyen la parte principal del alma y parte de las alas, dos elementos planos 15, 16 que completan las partes superior e inferior de las alas, y una serie de refuerzos 11 (llamados "duplicadores") o engrosamientos locales en una de las dos caras del alma.
Con referencia a la figura 2, cada uno de los elementos 11-16 trabajados parcialmente se prepara haciendo un estratificado plano de esterillas 20 de fibra de carbono unidireccional preimpregnadas con resina epoxi (también llamado "esterillado de carbo-resina"). Las esterillas 20 de carbo-resina están superpuestas en una superficie B de soporte obteniendo así productos parcialmente trabajados definidos aquí como "estratificados planos", constituidos cada uno por una sucesión estratificada de esterillas 20. Después, los estratificados planos se cortan por sus bordes mediante una máquina de corte, preferiblemente una máquina controlada numéricamente, que controla los movimientos de una herramienta CT de corte que es adecuadamente inclinable para cortar los bordes de los estratificados planos a lo largo de un ángulo predeterminado de corte con respecto al plano en el que se encuentran las esterillas 20.
Una característica importante del método de la invención es que algunos de los bordes de los estratificados planos son cortados en un ángulo de corte diferente de 90º con respecto al plano en el que se encuentran las esterillas 20. En particular, los bordes oblicuos 11a del refuerzo 11 y algunos bordes 13a, 14a de los estratificados planos destinados a constituir los elementos 13, 14 con forma de "C" son cortados oblicuamente. Gracias a esta disposición, al final de la fase subsiguiente de conformado en caliente (figura 3), en la que las partes terminales 13b, 14b de estos elementos son dobladas en un ángulo recto, los bordes de estos estratos 20 definen juntos una superficie plana 13a, 14a orientada perpendicularmente al plano de las partes dobladas 13b, 14b. Estas superficies 13a, 14a de borde no necesitan operaciones adicionales de recorte o de corte.
Como se ilustra en la figura 3, los refuerzos 11 y la pieza inicial plana 13 están colocados en sucesión en una herramienta F1 de conformado cuya forma copiarán durante las subsiguientes etapas de conformado en caliente y de curado. Los refuerzos 11 están recibidos en un rebaje R de la herramienta F1. Por medio de una operación de conformado en caliente (conocida de por sí y por lo tanto no descrita en detalle aquí), la pieza inicial plana 13 se pliega como se indica mediante las flechas A y se aprieta para copiar el perfil de la herramienta F1.
Con referencia a la figura 4, se realizan pasos similares a los descritos antes (estratificación plana, corte de bordes inclinados y conformado en caliente en una segunda herramienta F2) en una segunda pieza inicial 14 que constituye el segundo elemento de sección de "C" destinado a estar colocado cara a cara con y unido a la primera pieza inicial 13. Después los dos elementos planos 15, 16 de pieza inicial son aplicados para la terminación de las alas, insertando dos tiras 17 de resina en las zonas de conectador.
La herramienta de conformado se cierra después mediante contraplacas laterales S1, S2, se coloca en una bolsa V de vacío (figura 6) y se somete a un ciclo de curado en un autoclave aplicando temperatura y presión de un modo conocido de por sí.
Hay que señalar que entre las herramientas F1, F2, S1, S2 de conformado y las piezas iniciales que hay que curar hay interpuesta preliminarmente una lámina de fibra P de vidrio (figura 3a) que, al final de la fase de polimerización (figura 7), constituye una capa exterior de revestimiento que satisface los requisitos llamados FST (inflamabilidad-humo-toxicidad) prescritos en el entorno aeronáutico.
El resultado final del proceso, como se ilustra esquemáticamente en la figura 7, es una viga 10 de material compuesto de fibra de carbono con una capa externa de revestimiento de esterillado P de fibra de vidrio que continuamente reviste todas las superficies externas de la viga, incluidos sus bordes.
Como se apreciará, el método de acuerdo con la invención prevé un único ciclo de curado (mejor que dos) y produce una estructura monolítica con un enlace más íntimo y más fuerte de los refuerzos formados integralmente con el alma. Las fases tradicionales de aplicación de adhesivo para unir los refuerzos al alma se eliminan como las operaciones de recortar los bordes y las herramientas asociadas, y ya no se requieren las operaciones finales para aplicar el revestimiento de fibra de vidrio a los bordes cortados. Se apreciará, lo que es más, que la capa exterior P de revestimiento de fibra de vidrio es una capa continua e íntimamente enlazada a las superficies de la viga con una consecuente reducción del riesgo de que se desencadene la corrosión.
Se pretende que la invención no este limitada a la realización descrita e ilustrada aquí, que ha de ser considerada como un ejemplo de materialización del proceso; la invención es, por otro lado, susceptible de modificaciones asociadas en forma, dimensiones y detalles de construcción de las vigas. Por ejemplo, la invención puede igualmente ser usada para producir elementos estructurales con secciones de las más variadas formas ("C", "L", "T", "J", etc.) con o sin refuerzos laterales en el alma.

Claims (5)

1. Un método para fabricar una viga de material compuesto basado en fibra de carbono para la construcción de aviones, comprendiendo la viga capas de esterillado de fibra de carbono preimpregnadas con resina, comprendiendo el método los pasos de:
a) superponer en un plano (B) de soporte una pluralidad de esterillas (20) de fibra de carbono preimpregnadas con resina como para obtener al menos un primer estratificado plano (13);
b) cortar al menos un borde (13a, 14a) del estratificado plano en un ángulo predeterminado de corte diferente de 90º con respecto al plano (B) de soporte de la esterilla (20);
c) colocar el estratificado plano en una herramienta (F1) de conformado;
d) conformar en caliente el estratificado como para copiar la forma de la herramienta de dar forma, doblando al menos una parte del estratificado delimitada por dicho borde cortado (13a, 14a) de tal manera que dicho borde cortado (13a, 14a), al final del paso de doblado, define una superficie orientada de manera substancialmente perpendicular con respecto a dicha parte doblada (13b, 14b);
e) aplicar temperatura y presión de tal manera que se polimeriza la resina contenida en las capas (20) de esterillado;
en el que el paso c) incluye el paso de:
- colocar una esterilla (P) de fibra de vidrio, que reviste también dicho borde cortado (13a, 14a), entre la herramienta (F1) de conformado y el estratificado que hay que polimerizar de tal manera que se cubren las superficies del estratificado destinadas a constituir las superficies exteriores de la viga acabada.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye adicionalmente los pasos de:
- predisponer al menos un segundo estratificado (11, 14, 15, 16) de acuerdo con el paso a) y opcionalmente de acuerdo con los pasos b) y c) y d);
- colocar el segundo estratificado (11, 14, 15, 16) en contacto con el primer estratificado (13) en una herramienta de conformado antes de dicho paso e);
- realizar el paso e) para polimerizar simultáneamente la resina contenida en las capas de la esterilla (20) de los estratificados primero (13) y segundo (11, 14, 15, 16).
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el primer estratificado (13) es un elemento alargado longitudinalmente capaz de constituir al menos una parte de un alma (12) de una viga (10), y el segundo estratificado (11) es un refuerzo aplicado en una cara del primer estratificado (13) para engrosar localmente dicho alma (12).
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, que incluye los pasos de:
c1) colocar el segundo estratificado (11) en un rebaje (R) de la herramienta (F1) de conformado antes de colocar el primer estratificado (13a) en la misma herramienta (F1) de conformado en dicho paso c).
5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicho paso c1) está precedido por los pasos de:
b1) cortar al menos un borde (11a) del segundo estratificado plano (11) de refuerzo en un ángulo predeterminado de corte diferente de 90º con respecto al plano (B) de soporte del esterillado (20) del segundo estratificado (11).
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